_ Combinarea materialelor poate suporta supraconductivitate unică pentru cuantică calcul

O nouă fuziune de materiale, fiecare cu proprietăți electrice speciale, are toate componentele necesare pentru un tip unic de supraconductivitate care ar putea oferi baza unui calcul cuantic mai robust. Noua combinație de materiale, creată de o echipă condusă de cercetători de la Penn State, ar putea oferi, de asemenea, o platformă pentru a explora comportamente fizice similare cu cele ale particulelor misterioase, teoretice, cunoscute sub numele de Majoranas chirale, care ar putea fi o altă componentă promițătoare pentru calculul cuantic.

Noul studiu apare în revista Science. Lucrarea descrie modul în care cercetătorii au combinat cele două materiale magnetice în ceea ce ei au numit un pas critic către realizarea supraconductivității interfaciale emergente, spre care lucrează în prezent.

Superconductorii - materiale fără rezistență electrică - sunt folosiți pe scară largă. în circuitele digitale, magneții puternici din imagistica prin rezonanță magnetică (IRM) și acceleratorii de particule și alte tehnologii în care maximizarea fluxului de electricitate este crucială.

Când supraconductorii sunt combinați cu materiale numite izolatori topologici magnetici - filme subțiri numai câțiva atomi grosime care au fost făcuți magnetici și restricționează mișcarea electronilor la marginile lor — noile proprietăți electrice ale fiecărei componente lucrează împreună pentru a produce „superconductori topologici chirali”.

Topologia sau geometriile specializate. și simetriile materiei, generează fenomene electrice unice în supraconductor, care ar putea facilita construirea calculatoarelor cuantice topologice.

Calculatoarele cuantice au potențialul de a efectua calcule complexe într-o fracțiune din timpul necesar computerelor tradiționale, deoarece , spre deosebire de computerele tradiționale care stochează date ca unu sau zero, biții cuantici ai computerelor cuantice stochează date simultan într-o serie de stări posibile.

Computerele cuantice topologice îmbunătățesc și mai mult calculul cuantic profitând de modul în care proprietățile electrice sunt organizate pentru a face computerele robuste la decoerență sau la pierderea de informații care se întâmplă atunci când un sistem cuantic nu este perfect izolat.

„Crearea supraconductorilor topologici chirali este un pas important către calculul cuantic topologic care ar putea să fie extins pentru o utilizare pe scară largă”, a spus Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr Early Career Professor și profesor asociat de fizică la Penn State și co-autor corespondent al lucrării.

„Superconductivitatea topologică chirală necesită trei ingrediente: supraconductivitate, feromagnetism și o proprietate numită ordine topologică. În acest studiu, am produs un sistem cu toate aceste trei proprietăți.”

Cercetătorii au folosit o tehnică numită epitaxie cu fascicul molecular pentru a stivui împreună un izolator topologic care a fost făcut magnetic și o calcogenură de fier (FeTe). , un metal de tranziție promițător pentru valorificarea supraconductivității. Izolatorul topologic este un feromagnet - un tip de magnet ai cărui electroni se rotesc în același mod - în timp ce FeTe este un antiferomagnet, ai cărui electroni se rotesc în direcții alternative.

Cercetătorii au folosit. o varietate de tehnici de imagistică și alte metode pentru a caracteriza structura și proprietățile electrice ale materialului combinat rezultat și au confirmat prezența tuturor celor trei componente critice ale supraconductivității topologice chirale la interfața dintre materiale.

Lucrări anterioare în domeniul sa concentrat pe combinarea supraconductorilor și izolatorilor topologici nemagnetici. Potrivit cercetătorilor, adăugarea feromagnetului a fost deosebit de dificilă.

„În mod normal, supraconductivitatea și feromagnetismul concurează între ele, așa că este rar să găsești supraconductivitate robustă într-un sistem de materiale feromagnetice”, a spus Chao-Xing Liu, profesor de fizică la Penn State și co-autor corespondent. al lucrării.

„Dar supraconductivitatea din acest sistem este de fapt foarte robustă împotriva feromagnetismului. Ai nevoie de un câmp magnetic foarte puternic pentru a elimina supraconductivitatea.”

Echipa de cercetare încă explorează de ce supraconductivitatea și feromagnetismul coexistă în acest sistem.

„Este de fapt destul de interesant pentru că avem două materiale magnetice care nu sunt supraconductoare, dar le-am pus împreună și interfața dintre acești doi compuși produce foarte multe supraconductivitate robustă", a spus Chang.

"Calcogenura de fier este antiferomagnetică și anticipăm că proprietatea sa antiferomagnetică este slăbită în jurul interfeței pentru a da naștere supraconductivității emergente, dar avem nevoie de mai multe experimente și de muncă teoretică pentru a verifica dacă acest lucru este adevărat și pentru a clarifica mecanismul supraconductor.”

Cercetătorii au spus că acest sistem va fi util în căutarea sistemelor materiale care prezintă comportamente similare cu cele ale particulelor Majorana - particule subatomice teoretice emise pentru prima dată în 1937. Particulele de Majorana acționează ca propria antiparticulă, o proprietate unică care le-ar putea permite folosirea ca biți cuantici în computerele cuantice.

„Furnizarea de dovezi experimentale pentru existența Majoranei chirale va fi un pas critic în crearea unui computer cuantic topologic”, a spus Chang. „Câmpul nostru a avut un trecut stâncos în încercarea de a găsi aceste particule evazive, dar credem că aceasta este o platformă promițătoare pentru explorarea fizicii Majorana.”

(Fluierul)