De experimentele realisatie van ultradun grafeen - waarmee twee wetenschappers uit Cambridge in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde kregen - heeft een nieuw tijdperk in het materiaalonderzoek ingeluid.

Wat begon met grafeen is geëvolueerd naar tal van gerelateerde materialen van één atoom dik, die ongebruikelijke eigenschappen hebben vanwege hun ultradunheid. Onder hen zijn overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's), materialen die verschillende belangrijke functies bieden die niet beschikbaar zijn in grafeen en die in opkomst zijn als halfgeleiders van de volgende generatie.

TMD's kunnen topologische supergeleiding realiseren en zo een platform bieden voor kwantumcomputing - het uiteindelijke doel van een Cornell-onderzoeksgroep onder leiding van Eun-Ah Kim, universitair hoofddocent natuurkunde.

"Ons voorstel is zeer realistisch - daarom is het spannend, " Kim zei over het onderzoek van haar groep. "We hebben een theoretische strategie om een ​​topologische supergeleider te materialiseren ... en dat zal een stap zijn in de richting van het bouwen van een kwantumcomputer. De geschiedenis van supergeleiding in de afgelopen 100 jaar is geleid door toevallige ontdekkingen. We hebben een voorstel dat op stevige principes berust.

"In plaats van te hopen op een nieuw materiaal dat de eigenschappen heeft die je wilt, " ze zei, "laten we er met inzicht en ontwerpprincipe voor gaan."

Yi-Ting Hsu, een doctoraatsstudent in de Kim Group, is hoofdauteur van "Topologische supergeleiding in monolaag overgangsmetaal dichalcogeniden, " gepubliceerd op 11 april in Natuurcommunicatie . Andere teamleden zijn onder meer Kim Group-alumni Mark Fischer, nu bij ETH Zürich in Zwitserland, en Abolhassan Vaezi, nu aan de Stanford University.

Het voorstel van de groep:de ongebruikelijke eigenschappen van de TMD's geven de voorkeur aan twee topologische supergeleidende toestanden, die, indien experimenteel bevestigd, zal mogelijkheden bieden voor het manipuleren van topologische supergeleiders bij temperaturen rond het absolute nulpunt.

Kim identificeerde met gaten gedoteerde (positieve lading-versterkte) enkellaagse TMD's als een veelbelovende kandidaat voor topologische supergeleiding, gebaseerd op de bekende speciale vergrendeling tussen spintoestand en kinetische energie van elektronen (spin-valleivergrendeling) van enkellaagse TMD's, evenals de recente waarnemingen van supergeleiding in met elektronen gedoteerde (negatieve ladingversterkte) enkellaagse TMD's.

Het doel van de groep is een supergeleider die werkt op ongeveer 1 graad Kelvin (ongeveer min 457 Fahrenheit), dat voldoende zou kunnen worden gekoeld met vloeibaar helium om het kwantumcomputerpotentieel in een supergeleidende toestand te houden.

theoretisch, het huisvesten van een kwantumcomputer die krachtig genoeg is om de kracht te rechtvaardigen die nodig is om de supergeleider op 1 graad Kelvin te houden, is niet uitgesloten, zei Kim. In feite, IBM heeft al een 7-qubit (kwantumbit) computer, die werkt op minder dan 1 Kelvin, beschikbaar voor het publiek via de IBM Quantum Experience.

Een kwantumcomputer met ongeveer zes keer meer qubits zou het computergebruik fundamenteel veranderen, zei Kim.

"Als je tot 40 qubits komt, dat de rekenkracht alle klassieke computers zal overtreffen, " zei ze. "En om een ​​40-qubit [kwantumcomputer] in cryogene temperatuur te huisvesten, is niet zo'n groot probleem. Het wordt een revolutie."

Kim en haar groep werken samen met Debdeep Jena en Grace Xing van elektrotechniek en computertechniek, en Katja Nowack van natuurkunde, via een interdisciplinaire onderzoeksgroep seed-subsidie ​​van het Cornell Center for Materials Research. Elke groep brengt onderzoekers van verschillende afdelingen bij elkaar, met steun van zowel de universiteit als het Materials Research Science and Engineering Centers-programma van de National Science Foundation.

"We combineren de technische expertise van DJ en Grace, en expertise die Katja heeft in mesoscopische systemen en supergeleiders, Kim zei. "Het vereist verschillende expertises om samen te komen om dit na te streven, en CCMR staat dat toe."