Nowa fuzja materiałów, każdy o specjalnych właściwościach elektrycznych, zawiera wszystkie elementy wymagane do uzyskania unikalnego rodzaju nadprzewodnictwa, które może stanowić podstawę dla bardziej niezawodnych obliczeń kwantowych. Nowa kombinacja materiałów, stworzona przez zespół kierowany przez naukowców z Penn State, może również zapewnić platformę do badania zachowań fizycznych podobnych do zachowań tajemniczych, teoretycznych cząstek znanych jako chiralne Majorany, które mogą być kolejnym obiecującym elementem obliczeń kwantowych.
Nowe badanie ukazało się dzisiaj (8 lutego) w czasopiśmie Science. W pracy opisano, w jaki sposób naukowcy połączyli dwa materiały magnetyczne, co stanowiło krytyczny krok w kierunku poznania powstającego nadprzewodnictwa międzyfazowego, nad którym obecnie pracują.
Nadprzewodniki – materiały pozbawione oporności elektrycznej – są szeroko stosowane w obwodach cyfrowych, potężnych magnesach w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego (MRI) i akceleratorach cząstek, a także w innych technologiach, w których kluczowa jest maksymalizacja przepływu energii elektrycznej. Kiedy nadprzewodniki łączy się z materiałami zwanymi magnetycznymi izolatorami topologicznymi – cienkimi warstwami o grubości zaledwie kilku atomów, którym nadano właściwości magnetyczne i które ograniczają ruch elektronów do ich krawędzi – nowe właściwości elektryczne każdego składnika współdziałają, tworząc „chiralne nadprzewodniki topologiczne”. .” Topologia, czyli wyspecjalizowane geometrie i symetrie materii, generuje w nadprzewodniku unikalne zjawiska elektryczne, które mogłyby ułatwić budowę topologicznych komputerów kwantowych.
Komputery kwantowe mają potencjał do wykonywania skomplikowanych obliczeń w ułamku czasu potrzebnego tradycyjnym komputerom, ponieważ w przeciwieństwie do tradycyjnych komputerów, które przechowują dane jako jeden lub zero, bity kwantowe komputerów kwantowych przechowują dane jednocześnie w szeregu możliwych stanów. Topologiczne komputery kwantowe dodatkowo udoskonalają obliczenia kwantowe, wykorzystując organizację właściwości elektrycznych, aby zapewnić komputerom odporność na dekoherencję, czyli utratę informacji, która ma miejsce, gdy układ kwantowy nie jest doskonale izolowany.
„Stworzenie chiralnych nadprzewodników topologicznych to ważny krok w kierunku topologicznych obliczeń kwantowych, które można skalować do szerokiego zastosowania” – powiedział Cui-Zu Chang, profesor Henry W. Knerr i profesor nadzwyczajny fizyki w Penn State oraz współautor książki korespondencyjnej papier. „Chiralne nadprzewodnictwo topologiczne wymaga trzech składników: nadprzewodnictwa, ferromagnetyzmu i właściwości zwanej porządkiem topologicznym. W tym badaniu stworzyliśmy system spełniający wszystkie trzy z tych właściwości”.
Naukowcy wykorzystali technikę zwaną epitaksją z wiązek molekularnych, aby połączyć izolator topologiczny, który stał się magnetyczny, i chalkogenek żelaza (FeTe), obiecujący metal przejściowy do wykorzystania nadprzewodnictwa. Izolator topologiczny to ferromagnetyk – rodzaj magnesu, którego elektrony wirują w ten sam sposób – podczas gdy FeTe jest antyferromagnesem, którego elektrony wirują w naprzemiennych kierunkach. Naukowcy wykorzystali różnorodne techniki obrazowania i inne metody, aby scharakteryzować strukturę i właściwości elektryczne powstałego połączonego materiału oraz potwierdzili obecność wszystkich trzech kluczowych składników chiralnego nadprzewodnictwa topologicznego na styku materiałów.
Wcześniejsze prace w tej dziedzinie skupiały się na łączeniu nadprzewodników i niemagnetycznych izolatorów topologicznych. Według naukowców dodanie ferromagnesu było szczególnie trudne.
„Zwykle nadprzewodnictwo i ferromagnetyzm konkurują ze sobą, dlatego rzadko zdarza się znaleźć solidne nadprzewodnictwo w układzie materiałów ferromagnetycznych” – powiedział Chao-Xing Liu, profesor fizyki w Penn State i współautor artykułu. „Ale nadprzewodnictwo w tym systemie jest w rzeczywistości bardzo odporne na ferromagnetyzm. Do usunięcia nadprzewodnictwa potrzebne byłoby bardzo silne pole magnetyczne”.
Zespół badawczy wciąż bada, dlaczego w tym układzie współistnieją nadprzewodnictwo i ferromagnetyzm.
„To całkiem interesujące, ponieważ mamy dwa materiały magnetyczne, które nie są nadprzewodnikami, ale połączyliśmy je razem i na granicy faz między tymi dwoma związkami powstaje bardzo silne nadprzewodnictwo” – powiedział Chang. „Chalkogenek żelaza jest antyferromagnetyczny i przewidujemy, że jego właściwości antyferromagnetyczne ulegną osłabieniu wokół granicy faz, co doprowadzi do powstania nadprzewodnictwa, ale potrzebujemy więcej eksperymentów i prac teoretycznych, aby sprawdzić, czy to prawda i wyjaśnić mechanizm nadprzewodnictwa”.
Naukowcy stwierdzili, że wierzą, że ten system będzie przydatny w poszukiwaniu układów materialnych wykazujących podobne zachowanie jak cząstki Majorany – teoretyczne cząstki subatomowe, o których po raz pierwszy postawiono hipotezę w 1937 roku. Cząstki Majorany działają jak własne antycząstki, co jest wyjątkową właściwością, która może potencjalnie pozwolić im mogą być używane jako bity kwantowe w komputerach kwantowych.
„Dostarczenie eksperymentalnych dowodów na istnienie chiralnej Majorany będzie kluczowym krokiem w tworzeniu topologicznego komputera kwantowego” – powiedział Chang. „Nasza dziedzina miała burzliwą przeszłość w poszukiwaniu tych nieuchwytnych cząstek, ale uważamy, że jest to obiecująca platforma do badania fizyki Majorany”.
Oprócz Changa i Liu w skład zespołu badawczego z Penn State w czasie przeprowadzania badań wchodziła badaczka ze stopniem doktora Hemian Yi; absolwenci Yi-Fan Zhao, Ruobing Mei, Zi-Jie Yan, Ling-Jie Zhou, Ruoxi Zhang, Zihao Wang, Stephen Paolini i Run Xiao; adiunkci w Instytucie Badań Materiałowych Ke Wang i Anthony Richardella; Evan Pugh University emerytowany profesor fizyki Moses Chan; oraz Verne M. Willaman profesor fizyki oraz profesor nauk o materiałach i inżynierii Nitin Samarth. W skład zespołu badawczego wchodzą także Ying-Ting Chan i Weida Wu z Uniwersytetu Rutgers; Jiaqi Cai i Xiaodong Xu z Uniwersytetu Waszyngtońskiego; Xianxin Wu z Chińskiej Akademii Nauk; John Singleton i Laurel Winter w Narodowym Laboratorium Wysokich Pól Magnetycznych; Purnima Balakrishnan i Alexander Grutter z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii; oraz Thomas Prokscha, Zaher Salman i Andreas Suter w Instytucie Paula Scherrera w Szwajcarii.
Badania te wspierane są przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych. Dodatkowego wsparcia udzieliła amerykańska National Science Foundation (NSF), finansowane przez NSF Centrum Badań nad Materiałami i Inżynierią Nauki w Nanoskali w Penn State, Biuro Badań Armii, Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych, stan Floryda oraz Inicjatywa EPiQS Fundacji Gordona i Betty Moore.