Kohti topologisia kubitteja

Majorana Zero Energy -moodit löytyvät 2D-topologisten suprajohteiden reunasta

Aalto yliopiston johtama teoreettisten ja kokeellisten fyysikkojen ryhmä on suunnitellut uuden ohuen materiaalin, luodakseen sen avulla kvanttitiloja, joita kutsutaan yksiulotteiseksi Majoranan nollaenergiatiloiksi (MZM).

Niillä voi olla valtava vaikutus kvanttilaskennan toteutukseen. Sen avulla voitaneen luoda topologinen kubitti, jonka oletetaan sietävän paljon enemmän kohinaa kuin muut kubitit.

MZM:t ovat elektroniryhmiä, jotka on sidottu toisiinsa tietyllä tavalla, joten ne käyttäytyvät kuin hiukkanen, jota kutsutaan Majorana-fermioniksi. Majorana-hiukkasia ei ole löydetty luonnosta, mutta Delftin teknillisen yliopiston tutkijat onnistuivat luomaan sellaisen laboratoriossaan vuonna 2012.

Jos Majoranan teoreettiset hiukkaset voitaisiin sitoa yhteen, ne toimisivat topologisina kubitteina. Topologisia kubitteja ei kuitenkaan ole vielä tuotettu laboratoriossa'', kertoo professori Peter Liljeroth, projektin johtava tutkija. Mitään todisteita niiden olemassaolostaan ei ole koskaan nähty mutta tutkijat yrittävät saada sellaisen aikaan saamalla elektronit käyttäytymään kuten ne.

MZM:t muodostetaan antamalla elektroniryhmälle tarkka määrä energiaa ja lukitsemalla ne sitten yhteen. Yksiulotteisen MZM:ien luomiseksi tutkijatiimin oli tehtävä täysin uudenlainen 2D-materiaali: topologinen suprajohde.

Topologinen suprajohtavuus on ominaisuus, joka tapahtuu magneettisen sähköeristeen ja suprajohtimen rajalla. Magneetit ja suprajohteet kuitenkin häiritsevät toistensa toimintaa, mutta MZM:ien tekemiseksi tullaan toimeen vähemmälläkin vuorovaikutuksella. Temppu on käyttää 2D-materiaaleja ja niiden spinejä.

Kerrostetuilla 2D-materiaaleilla niiden välinen vuorovaikutus riittää vain "kallistamaan" atomien spiniä niin, että ne luovat MZM:ien tuottamiseksi tarvittavan erityisen spintilan, nimeltään Rashba-spin-kiertorata kytkentä.

Tämän tutkimuksen topologinen suprajohde on valmistettu kromibromidikerroksesta, joka on magneettinen vain yhden atomin paksuisena. Niitä kasvatettiin saarekkeina niobiumdiselenidisen suprajohtavan kiteen päälle.

Teknisten mittauksien jälkeen tutkijat tukeutuivat tietokonemallinnuksen pariin ymmärtääkseen, mitä he olivat tehneet. Näistä vastasivat Aalto-yliopiston Adam Foster ja Tampereen yliopiston Teemu Ojanen.

Nyt ryhmä on varma, että he voivat tehdä 1D-MZM:itä 2-ulotteisista materiaaleista ja seuraava askel on yrittää tehdä niistä topologisia kubitteja.

Myös Princetonin yliopiston fyysikot ovat havainneet, että tietyissä olosuhteissa vuorovaikutuksessa olevat elektronit voivat luoda ns. "topologisia kvanttitiloja".

Käyttämällä maagiseen 1,1 asteen kulmaan kierrettyä kaksikerroksista grafeenia, tutkijatiimillä oli aikomus tutkia suprajohtavuuden monimutkaisuutta, mutta he löysivät jotain muuta.

Erittäin matalien lämpötilojen, pienen magneettikentän ja skannaavan tunnelointimikroskoopin avulla he pystyivät havaitsemaan elektronien energiatasot. Grafeenin kiertyminen loi erittäin grafeenipakettiin vahvan vuorovaikutuksen elektronien välille ja se suosi yllättäen elektronien järjestäytymistä topologisten kvanttitilojen sarjaksi.

Myös Princetonin tutkijat odottavat topologisista kvanttitiloista saatavan aikanaan parempia kvanttibittejä.

Aiheesta aiemmin:

Topologiaa ja suprajohtavuutta

Salaperäisiä Majorana-fermioneja kultasaarilla

Lupaavaa materiaalia kvanttilaskennalle