Ultratenké designérské materiály odkrývají nepolapitelné kvantové jevy s obrovskými důsledky pro kvantové výpočty

Režimy nulové energie Majorana jsou na okraji topologických 2D supravodičů. Fotografický kredit: Alex Tokarev, Studio Ella Maru Aalto University

Nový výzkum publikovaný v Přírodaměřil velmi vyhledávané kvantové stavy Majorany.

Tým teoretických a experimentálních fyziků navrhl nový ultratenký materiál, který použili k vytvoření nepolapitelného kvantového stavu. Tyto kvantové stavy, známé jako jednorozměrné režimy nulové energie Majorana, mohou mít obrovský dopad Kvantové výpočty.

Srdcem kvantového počítače je qubit, který se používá k provádění vysokorychlostních výpočtů. Například qubits, které Google v loňském roce představil ve svém procesoru Sycamore a které ostatní aktuálně používají, jsou velmi citlivé na hluk a rušení z prostředí počítače, což vede k chybám ve výpočtech. Nový typ qubitu zvaný topologický qubit by mohl tento problém vyřešit a režimy 1D Majorana s nulovou energií by mohly být klíčem k jejich výrobě.

“Topologický kvantový počítač je založen na topologických qubitech, o nichž se říká, že jsou mnohem odolnější vůči hluku než jiné qubity.” V laboratoři však dosud nebyly vyrobeny žádné topologické qubity, “vysvětluje profesor Peter Liljeroth, hlavní výzkumný pracovník projektu.

Co jsou MZM?

MZM jsou skupiny elektronů, které jsou spojeny určitými způsoby, díky nimž se chovají jako částice zvaná Majoranský fermion. Tato polomýtická částice byla poprvé navržena ve třicátých letech minulého století polomytickým fyzikem Ettore Majorana. Pokud by teoretické částice Majorany mohly být spojeny dohromady, fungovaly by jako topologický qubit. Jeden háček: v laboratoři ani v astronomii nebyly nikdy vidět žádné důkazy o její existenci. Místo toho, aby se pokusili vytvořit částici, kterou dosud nikdo ve vesmíru neviděl, se vědci snaží přimět běžné elektrony, aby se chovaly jako oni.

K výrobě MZM potřebují vědci neuvěřitelně malé materiály, což je oblast, na kterou se specializuje skupina profesora Liljerotha na Aalto University. MZM se tvoří tím, že dávají určité množství energie skupině elektronů a poté je zachycují dohromady, aby nemohly uniknout. K dosažení tohoto cíle musí být materiály dvourozměrné a co nejtenčí, jak je fyzicky možné. K vytvoření 1D MZM musel tým vytvořit zcela nový typ 2D materiálu: topologický supravodič.

Topologická supravodivost je vlastnost, která se objevuje na hranici mezi magnetickým elektrickým izolátorem a supravodičem. Aby bylo možné vytvořit 1D MZM, musel být tým profesora Liljerotha schopen zachytit elektrony v topologickém supravodiči. Není však tak snadné přilepit magnet na supravodič.

„Pokud vložíte většinu magnetů na supravodič, zabráníte tomu, aby byl supravodičem,“ vysvětluje Dr. Shawulienu Kezilebieke, hlavní autor studie. “Interakce mezi materiály narušují jejich vlastnosti, ale aby byly vyrobeny MZM, musí materiály jen trochu interagovat.” Trik spočívá v použití 2D materiálů: vzájemně na sebe interagují natolik, aby získali vlastnosti, které potřebujete v MZM, ale ne natolik, aby se navzájem rušily. “

Dotyčná vlastnost je spin. V magnetickém materiálu je rotace vyrovnána ve stejném směru, zatímco v supravodiči je rotace proti zarovnání se střídavými směry. Spojení magnetu a supravodiče obvykle zničí vyrovnání a vyrovnání otáček. V případě 2D vrstvených materiálů jsou však interakce mezi materiály natolik dost, aby „naklonily“ spiny atomů tak daleko, že generují specifický spinový stav známý jako Rashba spin orbit coupling a pro výrobu MZM je požadováno.

Najděte MZM

Topologický supravodič v této studii sestává z vrstvy bromidu chromitého, materiálu, který je stále magnetický, i když jen jeden –atom-tlustý. Tým profesora Liljerotha vypěstoval atomově silné ostrovy bromidu chromitého na supravodivém krystalu niobu diselenidu a změřil jejich elektrické vlastnosti pomocí skenovacího tunelového mikroskopu. V tom okamžiku se obrátili na odbornost profesora Adama Fostera z Aalto University a profesora Teemu Ojanena z Tampere University, aby pochopili, co dělají.

„Trvalo hodně simulačních prací, aby se prokázalo, že signál, který vidíme, byl způsoben MZM a nikoli jinými efekty,“ říká profesor Foster. „Museli jsme ukázat, že všechny části do sebe zapadají, abychom dokázali, že jsme vyrobili MZM.“

Nyní si tým je jistý, že dokáže vyrobit 1D MZM z dvourozměrných materiálů. Dalším krokem bude vytvoření topologických qubitů. Tento krok zatím unikl týmům, které již vytvořily 0-dimenzionální MZM a tým Aalto není ochoten spekulovat o tom, zda bude proces jednodušší s 1-dimenzionálními MZM, ale jsou optimističtí ohledně budoucnosti 1D -MZM.

„Skvělou součástí tohoto článku je, že jsme vyrobili MZM z 2D materiálů,“ řekl profesor Liljeroth. „V zásadě se jedná o jednodušší výrobu, snazší přizpůsobení a nakonec o vytvoření použitelného zařízení.“

Odkaz: „Topologická supravodivost ve van der Waalsově heterostruktuře“, autor: Shawulienu Kezilebieke, Md Nurul Huda, Viliam Vaňo, Markus Aapro, Somesh C. Ganguli, Orlando J. Silveira, Szczepan Głodzik, Adam S. Foster, Teemu Ojanen a Peter Liljeroth, 16. prosince 2020, Příroda.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2989-r

Do výzkumné spolupráce byli zapojeni vědci z finské Tampere University a polské univerzity M. Curie Sklodowska.

Práce byly prováděny s výzkumnou infrastrukturou OtaNano. OtaNano poskytuje ve Finsku nejmodernější pracovní prostředí a vybavení pro výzkum v oblasti nanověd, nanotechnologií a kvantové technologie. OtaNano provozují Aalto University a VTT a je mezinárodně dostupné akademickým i komerčním uživatelům.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Lipidy na membráně mozkových buněk jsou kvůli léčbě Alzheimerovy choroby většinou přehlíženy

Byly vytvořeny vazby mezi lipidovou nerovnováhou a onemocněním, kdy změny lipidů zvyšují tvorbu amyloidových plaků, což je rys Alzheimerovy choroby. Tato nerovnováha inspirovala...

Astrofyzici jsou překvapeni neočekávanými účinky černých děr mimo jejich vlastní galaxie

Umělecká kompozice supermasivní černé díry, která reguluje vývoj jejího prostředí. Autor obrázku: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC) a Dylan Nelson (Illustris-TNG) Ve středu téměř každé...

Největší australský dinosaurus – jižní titán – právě vstoupil do knih rekordů!

Australotitan cooperensis, „Southern Titan of the Cooper“. Fotografický kredit: Vlad Konstantinov, Scott Hocknull © Eromanga Natural History Museum Co je to basketbalové hřiště tak...

„Paralelní reaktory“ na bázi fotonických krystalových vláken odhalují kolektivní analogie hmotných a solitárních molekul

A. Schéma paralelních optických solitonových reaktorů založené na dutině prstencového vláknového laseru s režimem blokování. Časová optomechanická (OM) mříž umožněná fotonickými krystalovými...

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Newsletter

Subscribe to stay updated.