Materialele de design ultra-subțiri deblochează fenomene cuantice evazive cu un impact mare asupra calculului cuantic

Modurile Majorana Zero Energy sunt pe marginea superconductoarelor topologice 2D. Credit: Alex Tokarev, Ella Maru Studio Aalto University

Noi cercetări, publicate în Natură, a măsurat stările cuantice Majorana foarte căutate.

O echipă de fizicieni teoretici și experimentali au proiectat un nou material ultra-subțire pe care l-au folosit pentru a crea stări cuantice evazive. Aceste stări cuantice numite moduri unidimensionale cu energie zero Majorana ar putea avea un impact uriaș calcul cuantic.

La baza unui computer cuantic se află un qubit, care este utilizat pentru a face calcule de mare viteză. Qubiturile pe care Google, de exemplu, le-a introdus procesorului Sycamore anul trecut și pe care alții le folosesc în prezent, sunt foarte sensibile la zgomot și interferențe din mediul computerului, ceea ce introduce erori în calcule. . Un nou tip de qubit, numit qubit topologic, ar putea rezolva această problemă, iar modurile de putere zero Majorana 1D pot fi cheia pentru realizarea lor.

„Un computer cuantic topologic se bazează pe qubituri topologice, care se presupune că sunt mult mai tolerante la zgomot decât alte qubite. Cu toate acestea, nu au apărut încă qubits topologice în laborator ”, explică profesorul Peter Liljeroth, investigatorul principal al proiectului.

Ce sunt MZM-urile?

MZM-urile sunt grupuri de electroni uniți într-un mod specific, deci se comportă ca o particulă numită fermion Majorana, o particulă semi-mitică propusă pentru prima dată de fizicianul semi-mitic Ettore Majorana în anii 1930. Teoreticienii majoranei s-ar putea uni, ar funcționa ca un qubit topologic. O captură: nu s-au văzut niciodată dovezi ale existenței sale, nici în laborator, nici în astronomie. În loc să încerce să facă o particulă pe care nimeni nu a văzut-o vreodată nicăieri în univers, cercetătorii încearcă să facă comportamentul regulat al electronilor ca ei.

Pentru a produce MZM, cercetătorii au nevoie de materiale incredibil de mici, domeniu în care grupul profesorului Liljeroth de la Universitatea Aalto este specializat. MZM-urile se formează dând unui grup de electroni o cantitate foarte specifică de energie și apoi prinzându-i astfel încât să nu poată scăpa. Pentru a realiza acest lucru, materialele trebuie să fie bidimensionale și cât mai subțiri posibil fizic. Pentru a crea MZM 1D, echipa a trebuit să creeze un tip complet nou de material 2D: un supraconductor topologic.

Superconductivitatea topologică este proprietatea care apare la limita unui izolator electric magnetic și a unui supraconductor. Pentru a crea MZM 1D, echipa profesorului Liljeroth a trebuit să poată prinde electroni împreună într-un supraconductor topologic, dar nu este la fel de simplu ca lipirea oricărui magnet de orice supraconductor.

„Dacă așezați majoritatea magneților deasupra unui supraconductor, îl veți lăsa să fie un supraconductor”, explică dr. Shawulienu Kezilebieke, primul autor al studiului. „Interacțiunile dintre materiale își modifică proprietățile, dar pentru a face MZM, aveți nevoie de materiale pentru a interacționa puțin. Trucul este să folosiți materiale 2D: acestea interacționează suficient între ele pentru a obține proprietățile de care aveți nevoie pentru MZM, dar nu atât de mult încât să se deranjeze reciproc. “

Proprietatea în cauză este răsucirea. Într-un material magnetic, rotirea este aliniată în aceeași direcție, în timp ce într-un supraconductor rotirea este aliniată cu direcții alternative. Unirea unui magnet și a unui supraconductor distruge de obicei alinierea și alinierea virajelor. Cu toate acestea, în materialele stratificate 2D, interacțiunile dintre materiale sunt suficiente pentru a „înclina” rotațiile atomilor suficient pentru a crea starea de rotație specifică, numită cuplare rotație-orbită a lui Rashba, necesară pentru fabricarea MZM-urilor.

Găsiți MZM-urile

Superconductorul topologic din acest studiu constă dintr-un strat de bromură de crom, un material care este încă magnetic doar cândatom-gros. Echipa profesorului Liljeroth a cultivat insule de bromură de crom cu un atom gros pe un cristal supraconductor de diselenură de niobiu și le-a măsurat proprietățile electrice folosind un microscop de tunelare de scanare. La acel moment, s-au orientat spre experiența de modelare pe computer a profesorului Adam Foster de la Universitatea Aalto și a profesorului Teemu Ojanen, acum la Universitatea din Tampere, pentru a înțelege ce au făcut.

„A fost nevoie de multă simulare pentru a arăta că semnalul pe care îl vedem a fost cauzat de MZM și nu de alte efecte”, spune profesorul Foster. „A trebuit să dovedim că toate piesele se potrivesc pentru a demonstra că am produs MZM”.

Acum echipa este sigură că poate fabrica MZM 1D în materiale bidimensionale, următorul pas va fi să încercați să le transformați în qubiți topologici. Până în prezent, acest pas a eludat echipele care au fabricat deja MZM-uri cu 0 dimensiuni, iar echipa Aalto nu este dispusă să speculeze dacă procesul va fi mai ușor cu MZM-uri cu o singură dimensiune, deși sunt optimiste cu privire la viitorul MZM 1D.

„Cel mai interesant lucru despre acest articol este că am fabricat MZM în materiale 2D”, a spus profesorul Liljeroth. „În principiu, acestea sunt mai ușor de realizat și personalizat proprietăți și, în cele din urmă, le fac un dispozitiv util”.

Referință: „Superconductivitatea topologică într-o heterostructură van der Waals” de Shawulienu Kezilebieke, Md Nurul Huda, Viliam Vaňo, Markus Aapro, Somesh C. Ganguli, Orlando J. Silveira, Szczepan Głodzik, Adam S. Foster, Teemu Ojanen și Peter Liljeroth, 16 decembrie 2020, Natură.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2989-i

Colaborarea de cercetare a inclus cercetători de la Universitatea Tampere din Finlanda și Universitatea M. Curie-Sklodowska din Polonia.

Lucrarea a fost realizată folosind infrastructura de cercetare OtaNano. OtaNano oferă un mediu de lucru de ultimă generație și echipamente pentru cercetarea nanoștiinței și tehnologii și tehnologii cuantice în Finlanda. OtaNano este operat de Universitatea Aalto și VTT și este disponibil utilizatorilor academici și comerciali la nivel internațional.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.