Natuurkundigen aan de Universiteit van Californië, Irvine en elders hebben nieuwe tweedimensionale kwantummaterialen gefabriceerd met baanbrekende elektrische en magnetische attributen die ze tot bouwstenen zouden kunnen maken van toekomstige kwantumcomputers en andere geavanceerde elektronica.

In drie afzonderlijke onderzoeken die deze maand verschijnen in Natuur , wetenschappelijke vooruitgang en Natuurmaterialen , UCI-onderzoekers en collega's van UC Berkeley, Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium, Princeton Universiteit, Fudan University en de University of Maryland onderzochten de fysica achter de 2D-toestanden van nieuwe materialen en bepaalden dat ze computers naar nieuwe hoogten van snelheid en kracht konden duwen.

De rode draad die door de kranten loopt, is dat het onderzoek wordt uitgevoerd bij extreem lage temperaturen en dat de signaaldragers in alle drie de onderzoeken geen elektronen zijn - zoals bij traditionele op silicium gebaseerde technologieën - maar Dirac- of Majorana-fermionen, deeltjes zonder massa die met bijna de lichtsnelheid bewegen.

"Eindelijk, we kunnen exotisch nemen, high-end theorieën in de natuurkunde en iets nuttigs maken, " zei UCI universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie Jing Xia, een corresponderende auteur op twee van de studies. "We onderzoeken de mogelijkheid om topologische kwantumcomputers [momenteel theoretisch] te maken voor de komende 100 jaar."

Een van de belangrijkste uitdagingen van dergelijk onderzoek is het hanteren en analyseren van minuscule materiaalmonsters, slechts twee atomen dik, enkele microns lang en enkele microns breed. Xia's laboratorium bij UCI is uitgerust met een door hem gebouwde glasvezel-sagnac-interferometermicroscoop. (De enige andere die er is, is aan de Stanford University, geassembleerd door Xia toen hij daar een afgestudeerde student was.) Noemde het de meest gevoelige magnetische microscoop ter wereld, Xia vergelijkt het met een telescoop die een ornitholoog in Irvine zou kunnen gebruiken om het oog van een vogel in New York te inspecteren.

"Deze machine is het ideale meetinstrument voor deze ontdekkingen, " zei UCI-afgestudeerde student Alex Stern, hoofdauteur van twee van de papers. "Het is de meest nauwkeurige manier om magnetisme in een materiaal optisch te meten."

In een studie die op 24 april wordt gepubliceerd in Natuur , de onderzoekers beschrijven hun waarneming - via de Sagnac-interferometer - van magnetisme in een microscopisch kleine vlok van chroomgermaniumtelluride. de verbinding, die ze hebben gemaakt, werd bekeken bij min 387 graden Fahrenheit. CGT is een neef van grafeen, een superdunne atomaire koolstoffilm. Sinds zijn ontdekking, grafeen wordt beschouwd als een potentiële vervanging voor silicium in computers en andere apparaten van de volgende generatie vanwege de snelheid waarmee elektronische signalen over het bijna perfect vlakke oppervlak flitsen.

Maar er is een addertje onder het gras:bepaalde computercomponenten, zoals geheugen- en opslagsystemen, moeten gemaakt zijn van materialen die zowel elektronische als magnetische eigenschappen hebben. Grafeen heeft de eerste, maar niet de laatste. CGT heeft beide.

Zijn laboratorium gebruikte ook de Sagnac-interferometer voor een studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang onderzoeken wat er precies gebeurt op het moment dat bismut en nikkel met elkaar in contact worden gebracht - weer bij een zeer lage temperatuur (in dit geval min 452 graden Fahrenheit). Xia zei dat zijn team op het grensvlak tussen de twee metalen "een exotische supergeleider vond die de tijdomkeringssymmetrie doorbreekt".

"Stel je voor dat je de klok terugdraait en een kopje rode thee wordt groen. Zou dat deze thee niet heel exotisch maken? Dit is inderdaad exotisch voor supergeleiders, " zei hij. "En het is de eerste keer dat het is waargenomen in 2D-materialen."

De signaaldragers in deze 2D-supergeleider zijn Majorana-fermionen, die zou kunnen worden gebruikt voor een vlechtoperatie die volgens theoretici van vitaal belang is voor kwantumcomputers.

"Het probleem is nu om te proberen dit te bereiken bij normale temperaturen, " zei Xia. De derde studie toont belofte in het overwinnen van die hindernis.

In 2012, Xia's lab leverde aan het Defense Advanced Research Projects Agency een radiofrequentie-oscillator gebouwd rond samariumhexaboride. De stof is een isolator aan de binnenkant, maar laat signaaldragende stroom gemaakt van Dirac-fermionen vrij stromen op het 2D-oppervlak.

Met behulp van een speciaal apparaat gebouwd in het Xia-lab - ook een van de slechts twee in de wereld - pasten UCI-onderzoekers trekspanning toe op het samariumhexaboride-monster en demonstreerden in de Natuurmaterialen studie dat ze de 2-D oppervlaktetoestand konden stabiliseren op min 27 graden Fahrenheit.

"Geloof het of niet, dat is heter dan sommige delen van Canada, " grapte Xia. "Dit werk is een grote stap in de richting van de ontwikkeling van toekomstige kwantumcomputers op bijna kamertemperatuur."