Topologiaa ja suprajohtavuutta

Zürichin yliopiston (UZH) teoreettiset fyysikot tutkivat uuden luokan topologisia eristeitä, joiden johtavat ominaisuudet ovat kiteiden reunoilla niiden pinnan sijaan.

Tutkimusryhmä, joka koostui UZH:n tutkijoiden lisäksi kansainvälisistä kollegoista, kutsuvat uutta materiaaliluokkaa "korkeamman asteen topologisiksi eristeiksi".

Johtavien reunojen epätavallinen vahvuus tekee ne erityisen mielenkiintoisiksi: Topologisten elektronien virtausta ei voida pysäyttää häiriöillä tai epäpuhtauksilla. Jos epätäydellisyys pääsee virran tielle, se yksinkertaisesti virtaa epäpuhtauden ympärillä.

Lisäksi kiteen reunoja ei tarvitse erityisesti valmistaa sähkövirran johtamiseksi. Jos kide rikkoutuu, uudet reunat kuljettava myös automaattisesti virtaa. "Mielenkiintoisimmista seikoista on se, että sähköä voidaan ainakin teoriassa johtaa ilman häviötä", sanoo UZH:n professori Titus Neupert.

Tutkimus tukeutuu enimmäkseen teoreettisiin näkökohtiin mutta tutkijat ovat ehdottaneet tina-telluridia ensimmäisenä yhdisteenä näiden uusien ominaisuuksien osoittamiseksi.

Tutkijat toivovat, että tulevia korkeamman asteen topologisista eristeistä valmistettuja nanolankoja voidaan käyttää johteiksi sähköisissä virtapiireissä. Niitä voitaisiin yhdistää magneettisten ja suprajohtavien materiaalien kanssa ja käyttää kvantti-tietokoneiden rakentamiseen.

Aalto-yliopiston tutkijat ovatkin jo julkaisseet tuloksia topologisten suprajohteiden ja eristeiden soveltamisesta. Tutkijoiden mukaan niitä voisi hyödyntää häviöttömissä komponenteissa, joita tarvitaan kvanttitietokoneisiin.

Topologisilla suprajohteiden reunoja pitkin kulkee virran lisäksi erikoisia Majorana-hiukkasia, joiden uskotaan voivan toimia kvanttitietokoneiden peruslaskentayksikköinä eli kvanttibitteinä.

Tähän asti topologiset materiaalit on pitänyt räätälöidä ja järjestää täydellisen säännöllisiksi hilarakenteiksi mutta nyt on osoitettu, että täysin sattumanvaraisesti muodostuneen materiaalin voi saada toimimaan topologisena suprajohteena.

”Täten topologisien suprajohteiden valmistaminen ja mahdollinen teollinen tuotanto olisi nykyisiä menetelmiä huomattavasti helpompaa, nopeampaa ja halvempaa”, toteaa tutkimusryhmän johtaja, dosentti Teemu Ojanen.

Rutgersin yliopiston johtama fyysikkojen ryhmä on puolestaan kokeillut magneettista topologista eristettä. Kehitetty materiaaliyhdistelmä voi käyttäytyä kuin magneetti ja johtaa sähköä alhaisessa lämpötilassa ilman energiahäviötä.

Tutkijoiden mukaan ainakin periaatteessa, jos sen saa toimimaan korkeammissa lämpötiloissa, sitä voisi käyttää piipiirien elektronisiin yhteyksiin ja kvanttitietokoneen rakentamisessa.