Wetenschappers aan de Tsinghua University en het Institute of Physics, Chinese Academie van Wetenschappen in Peking, hebben aangetoond dat ze de toestanden van materie kunnen beheersen, dus het beheersen van interne weerstand, binnen meerlagig, magnetisch gedoteerde halfgeleiders met behulp van het kwantum afwijkende Hall-effect.

Het kwantum afwijkende Hall-effect (QAH) komt voor in sommige speciaal ontworpen materialen waarin elektronen een millimeterafstand kunnen verplaatsen zonder hun energie te verliezen. De mogelijkheid om dit effect op apparaten toe te passen zou een nieuwe revolutie in energie-efficiëntie en rekensnelheid mogelijk maken.

In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Chinese natuurkundebrieven , onderzoekers zeggen dat ze een kunstmatig materiaal hebben gefabriceerd dat kan worden gebruikt om een ​​topologische kwantumcomputer te ontwikkelen met behulp van moleculaire bundelepitaxie, een nieuwe techniek die het stapelen van één molecuul dikke kristallagen mogelijk maakt, en door gebruik te maken van het QAH-effect.

Een kwantumcomputer maakt gebruik van het vermogen van subatomaire deeltjes om in meerdere toestanden tegelijk te zijn, in plaats van de binaire één of nul die wordt gezien in conventionele computers, waardoor ze bepaalde soorten problemen veel efficiënter kunnen oplossen. De topologische kwantumcomputer zou een stap verder zijn. In plaats van fysieke deeltjes, ze gebruiken een specifiek type quasideeltjes genaamd anyon om de informatie te coderen. Anyons is zeer goed bestand tegen fouten bij het opslaan en verwerken van informatie.

"We kunnen QAH-multilayers realiseren, of een stapel van meerdere lagen kristalroosters die het QAH-effect ervaren, met verschillende magnetisch gedoteerde films op afstand van elkaar door isolerende cadmiumselenidelagen. Omdat we het doen door middel van moleculaire bundelepitaxie, het is gemakkelijk om de eigenschappen van elke laag te regelen om het monster in verschillende toestanden te brengen, " zegt Ke He, een professor aan de Tsinghua-universiteit. Cadmiumselenide is een molecuul bestaande uit één cadmiumatoom en één seleniumatoom dat als halfgeleider wordt gebruikt; een materiaal waarvan de geleidende eigenschappen onderzoekers kunnen wijzigen door onzuiverheden toe te voegen.

Het vermogen om meerdere lagen dunne kristallen te produceren, maakt het mogelijk om een ​​isolerende film te plaatsen tussen de lagen die elektriciteit geleiden, het voorkomen van de ongewenste interactie van de elektronen tussen de platen, net zoals we proberen te voorkomen dat draden elkaar kruisen in de elektronica. Dit soort structuren is erg interessant om te bestuderen omdat ze sommige elektronen in een zogenaamde "randtoestand" dwingen die, tot nu, waren vrij moeilijk te fabriceren. Deze "randtoestand" dient als een pad waar een fractie van de elektronen zonder enige weerstand doorheen kan stromen. Door veel lagen op elkaar te stapelen, het effect wordt versterkt door een groter deel van de elektronen in deze toestand te duwen.

"Door de dikte van de QAH-lagen en cadmiumselenide-isolatielagen af ​​te stemmen, kunnen we het systeem in een magnetisch Weyl-halfmetaal drijven, een toestand van materie die tot nu toe nooit overtuigend is aangetoond in natuurlijk voorkomende materialen."

Een Weyl-halfmetaal is een exotische toestand van materie geclassificeerd als een kristal in vaste toestand dat, voor het eerst waargenomen in juli 2015. Het geleidt elektriciteit met behulp van de massaloze Weyl-fermionen in plaats van elektronen. Dit significante massaverschil tussen de Weyl-fermionen en elektronen zorgt ervoor dat elektriciteit effectiever door circuits kan stromen, snellere apparaten toestaan.

"Nutsvoorzieningen, wat mij het meest interesseert, is het bouwen van onafhankelijk regelbare QAH-dubbellagen. Als we een paar contra-propagerende randtoestanden zouden kunnen krijgen, terwijl u een supergeleidend contact op de rand van het monster plaatst, de twee randtoestanden kunnen aan elkaar binden vanwege het supergeleidende contact, wat leidt tot Majorana-modi die kunnen worden gebruikt om een ​​topologische kwantumcomputer te bouwen."

Majorana-modi worden verondersteld bruikbaar te zijn in kwantumfoutcorrigerende code, een eigenschap die uniek is voor topologische kwantumcomputers, en een essentieel onderdeel van de informatietheorie die wordt gebruikt om natuurlijk voorkomende fouten in gegevensoverdracht te verminderen en de effecten van interferentie tegen te gaan. Dit proces kan in de toekomst ook de mogelijkheid bieden om kwantuminformatie te verwerken en effectiever op te slaan.