Materiaalia elektronien kvanttitielle

Chicagon yliopiston Pritzker School of Molecular Engineeringin (PME) tutkijat ovat löytäneet uuden materiaalin, MnBi6Te10, jota voidaan käyttää kvantti-informaation elektroneilla tapahtuvaan siirtoon häviöttömästi.

Tällaiset elektronien väylät ovat mahdollisesti hyödyllisiä suorituskykyisten ja energiatehokkaiden kvanttitietokoneiden sisäisten komponenttien yhdistämisessä.

Kun elektronit liikkuvat perinteisten metallilankojen läpi, ne menettävät pienen määrän energiaa - lämpönä - ja jotkut niiden luontaisista ominaisuuksista muuttuvat. Siksi niitä ei voida käyttää yhdistämään kvanttitietokoneiden osia, jotka koodaavat dataa elektronien kvanttiominaisuuksiin.

Uudessa työssään tutkijat selvittivät, kuinka MnBi6Te10 toimii "magneettisena topologisena eristeenä", joka siirtää elektroneja kehälleen säilyttäen samalla elektronien energia- ja kvanttiominaisuudet.

Olemme löytäneet materiaalin, jolla on potentiaalia avata kvanttitie elektronien kululle ilman hävikkiä", iloitsee apulaisprofessori Shuolong Yang, joka johti tutkimusta. "Tämä on tärkeä virstanpylväs topologisten kvanttitietokoneiden suunnittelussa."

Hyvien kubittien lisäksi kvanttitietokone tarvitsee myös uusia materiaaleja, jotka voivat välittää kubitteihin tallennettua informaatiota

Teoreettiset fyysikot ovat ehdottaneet, että elektroneja voitaisiin siirtää topologisten kubittien välillä, pakottamalla elektronit kulkemaan yksiulotteisessa johtavuuskanavassa materiaalin reunalla. Toteutus vaatisi kuitenkin erittäin alhaisia lämpötiloja, joten nyt tutkijat päättivät tutkia materiaalia, joka mahdollistaisi toiminnan realistisemmissa lämpötiloissa.

Yangin ryhmä alkoi tutkia MnBi6Te10:tä käyttämällä mangaania magnetisoimaan vismutin ja telluurin muodostamaa puolijohdetta. Vaikka elektronit virtaavat satunnaisesti useimpien puolijohteiden sisällä, uuden yhdisteen magneettikenttä pakottaa kaikki elektronit materiaalin ulkokehälle.

Kun MnBi6Te10:n ominaisuuksia tutkittiin, aluksi näytti siltä, että jotkut materiaalipalaset näyttivät toimivan hyvin magneettisina topologisina eristeinä, kun taas toiset eivät.

"Joillakin niistä oli halutut elektroniset ominaisuudet ja toisilla ei ja mielenkiintoista oli, että niiden rakenteiden eroa oli erittäin vaikea erottaa", kertoo Yang. "Näimme saman, kun teimme rakenteellisia mittauksia, kuten röntgendiffraktiota, joten se oli vähän mysteeri."

TEM-kokeilla kuitenkin selvisi, että kaikilla toimivilla koepalasilla oli jotain yhteistä: puuttuvan mangaanin muodossa olevia vikoja hajallaan koko materiaalissa. Lisäkokeet osoittivat, että näitä vikoja todellakin vaadittiin ohjaamaan magneettista tilaa ja mahdollistamaan elektronien virtaus.

Tutkijat etsivät nyt uusia menetelmiä MnBi6Te10-kiteiden kasvattamiseksi laboratoriossa sekä tutkivat, mitä tapahtuu materiaalin erittäin ohuilla, kaksiulotteisilla versioilla.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttiväylä avaa tietä

Kaksi spiniä tuottaa kvanttiväylän

Topologiaa ja magneettisuutta