Uusia ja yllättäviä topologiota

(19.4.2024) Princetonin yliopiston fyysikot ovat havainneet uuden "hybriditopologiaksi" nimetyn kvanttivaikutuksen kiteisessä materiaalissa. Tämä löytö avaa uusia mahdollisuuksia tehokkaiden materiaalien ja teknologioiden kehittämiseen seuraavan sukupolven kvanttitieteeseen ja -tekniikkaan.

Arseeniatomeista valmistetussa kiinteässä alkuainekiteessä havaittu topologisen kvanttikäyttäytymisen muoto yhdistää tai "hybridisoi" kaksi topologisen kvanttikäyttäytymisen muotoa - reunatilat ja pintatilat, jotka ovat kahden tyyppisiä kaksiulotteisia kvanttielektronijärjestelmiä. Näitä on havaittu aiemmissakin kokeissa, mutta ei koskaan samanaikaisesti samassa materiaalissa, jossa ne sekoittuvat muodostaen uuden aineen tilan.

"Tämä löytö oli täysin odottamaton", sanoi professori M. Zahid Hasan, joka johti tutkimusta. "Kukaan ei ole ennustanut sellaista teoriassakaan ennen tätä havaintoa."

"Aineen uusien topologisten ominaisuuksien etsiminen ja löytäminen on noussut yhdeksi modernin fysiikan halutuimmista aarteista sekä fysiikan perustavanlaatuisesta näkökulmasta että mahdollisten sovellusten löytämiseksi seuraavan sukupolven kvanttitieteessä ja -tekniikassa", sanoo Hasan.

Hasan huomauttaa, että topologisten materiaalien käyttö käytännön sovelluksissa kiinnostaa paljon. Mutta kahden tärkeän edistyksen on tapahduttava, ennen kuin tämä voidaan toteuttaa. Ensinnäkin kvanttitopologisten vaikutusten tulee ilmetä korkeammissa lämpötiloissa. Toiseksi on löydettävä yksinkertaiset ja perusmateriaalijärjestelmät (kuten pii perinteisessä elektroniikassa), jotka voivat isännöidä topologisia ilmiöitä.

Tämän löydön vaikutus on kaksinkertainen. Yhdistetyn topologisen reunamoodin ja pinnan tilan havainnointi tasoittaa tietä uusien topologisten elektronien kuljetuskanavien suunnittelulle. Tämä voi mahdollistaa uuden kvanttitietotieteen sekä kvanttilaskentalaitteiden suunnittelun.

Ricen yliopiston fyysikot ovat puolestaan löytäneet faasia muuttavan kvanttimateriaalin jota voitaisiin mahdollisesti käyttää flash-muistin kaltaisten muistien luomiseen, jollaiset pystyvät pitämään tallessa kubittien informaatiota, vaikka kvanttitietokoneen virta katkaistaan.

Faasimuutokseen liittyvässä tutkimuksessaan tutkijat yllätti havainto, että tuloksena olikin topologisesti suojattuja kvanttitiloja. Viime kädessä kubittien tallentaminen topologisesti suojattuihin tiloihin voisi mahdollisesti vähentää dekoherenssiin liittyviä virheitä, jotka haittaavat kvanttilaskentaa.

Tutkijoiden mukaan heidän työnsä ei ainoastaan osoita jännittäviä mahdollisuuksia käyttää paikkajärjestystä Fe-pohjaisissa 2D-materiaaleissa viritysnuppina korreloitujen topologisten vaiheiden suunnittelussa ja ohjaamisessa, vaan paljastaa myös tämän luokan 2D-materiaalien potentiaalin eräänlaisena faasimuutosmateriaalina haihtumattomalle spintroniikalle, muistille tai epälineaarisille optisille sovelluksille.

Aiheesta aiemmin:

Ensimmäinen topologinen kvanttipiiri

Uusia topologisia ilmiöitä