Quantumcomputers beloven operaties uit te voeren die van groot belang zijn en waarvan wordt aangenomen dat ze onmogelijk zijn voor onze huidige technologie. Huidige computers verwerken informatie via transistors die een van de twee informatie-eenheden dragen, ofwel een 1 of een 0. Quantum computing is gebaseerd op het kwantummechanische gedrag van de logische eenheid. Elke kwantumeenheid, of "qubit, " kan bestaan ​​in een kwantumsuperpositie in plaats van discrete waarden te nemen. De grootste hindernissen voor kwantumcomputing zijn de qubits zelf - het is een voortdurende wetenschappelijke uitdaging om logische eenheden te creëren die robuust genoeg zijn om instructies te dragen zonder te worden beïnvloed door de omgeving en resulterende fouten.

Natuurkundigen hebben getheoretiseerd dat een nieuw soort materiaal, een driedimensionale (3D) topologische isolator (TI) genoemd, zou een goede kandidaat kunnen zijn om qubits te maken die bestand zijn tegen deze fouten en beschermd zijn tegen het verliezen van hun kwantuminformatie. Dit materiaal heeft zowel een isolerende binnenkant als metalen boven- en onderoppervlakken die elektriciteit geleiden. De belangrijkste eigenschap van 3D-topologische isolatoren is dat de geleidende oppervlakken naar verwachting worden beschermd tegen de invloed van de omgeving. Er zijn maar weinig onderzoeken die experimenteel hebben getest hoe TI's zich in het echte leven gedragen.

Een nieuwe studie van de Universiteit van Utah ontdekte dat in feite, wanneer de isolerende lagen zo dun zijn als 16 vijfvoudige atomaire lagen, de bovenste en onderste metalen oppervlakken beginnen elkaar te beïnvloeden en vernietigen hun metalen eigenschappen. Het experiment toont aan dat de tegenovergestelde oppervlakken elkaar beginnen te beïnvloeden bij een veel dikker isolerend interieur dan eerdere studies hadden aangetoond, mogelijk in de buurt van een zeldzaam theoretisch fenomeen waarbij de metalen oppervlakken ook isolerend worden naarmate het interieur dunner wordt.

"Topologische isolatoren kunnen een belangrijk materiaal zijn in toekomstige kwantumcomputers. Onze bevindingen hebben een nieuwe beperking in dit systeem blootgelegd, " zei Vikram Deshpande, assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Utah en corresponderende auteur van de studie. "Mensen die met topologische isolatoren werken, moeten weten wat hun limieten zijn. Het blijkt dat als je die limiet nadert, wanneer deze oppervlakken met elkaar beginnen te "praten", nieuwe natuurkunde duikt op, wat op zich ook best cool is."

De nieuwe studie die op 16 juli werd gepubliceerd, 2019 in het journaal Fysieke beoordelingsbrieven .

Slordige sandwiches opgebouwd uit topologische isolatoren

Stel je een leerboek met harde kaft voor als een 3D-topologische isolator, zei Deshpande. Het grootste deel van het boek zijn de pagina's, dat is een isolatorlaag - het kan geen elektriciteit geleiden. De hardcovers zelf vertegenwoordigen de metalen oppervlakken. Tien jaar geleden, natuurkundigen ontdekten dat deze oppervlakken elektriciteit konden geleiden, en een nieuw topologisch veld was geboren.

Deshpande en zijn team hebben apparaten gemaakt met behulp van 3D-TI's door vijf atoomdunne lagen van verschillende materialen te stapelen tot slordige sandwichachtige structuren. De bulkkern van de sandwich is de topologische isolator, gemaakt van een paar vijfvoudige lagen bismut antimoon tellurium selenide (Bi _{2 -x} sb _x Te _{3 -y} zie). Deze kern is ingeklemd door een paar lagen boornitride, en is afgewerkt met twee lagen grafiet, boven en onder. Het grafiet werkt als metalen poorten, in wezen twee transistoren creëren die de geleidbaarheid regelen. Vorig jaar leidde Deshpande een onderzoek dat aantoonde dat dit topologische recept een apparaat bouwde dat zich gedroeg zoals je zou verwachten:bulkisolatoren die de metalen oppervlakken beschermen tegen de omgeving.

In dit onderzoek, ze manipuleerden de 3D TI-apparaten om te zien hoe de eigenschappen veranderden. Eerst, ze bouwden van der Waal-heterostructuren - die slordige sandwiches - en stelden ze bloot aan een magnetisch veld. Deshpande's team testte veel in zijn laboratorium aan de Universiteit van Utah en eerste auteur Su Kong Chong, promovendus aan de U, reisde naar het National High Magnetic Field Lab in Tallahassee om daar dezelfde experimenten uit te voeren met een van de hoogste magnetische velden van het land. In aanwezigheid van het magnetische veld, een dambordpatroon kwam tevoorschijn uit de metalen oppervlakken, die de paden laat zien waarlangs elektrische stroom zich over het oppervlak zal verplaatsen. De damborden, bestaande uit gekwantiseerde geleidbaarheid versus spanningen op de twee poorten, zijn goed gedefinieerd, met het raster snijdend op nette snijpunten, waardoor de onderzoekers elke vervorming op het oppervlak kunnen volgen.

Ze begonnen met de isolatorlaag van 100 nanometer dik, ongeveer een duizendste van de diameter van een mensenhaar, en werd geleidelijk dunner tot 10 nanometer. Het patroon begon te vervormen totdat de isolatorlaag 16 nanometer dik was, toen de kruispunten begonnen te breken, het creëren van een opening die aangaf dat de oppervlakken niet langer geleidend waren.

"Eigenlijk, we hebben iets dat van metaal was gemaakt tot iets isolerend in die parameterruimte. Het punt van dit experiment is dat we de interactie tussen deze oppervlakken controleerbaar kunnen veranderen, " zei Deshpande. "We beginnen met dat ze volledig onafhankelijk en metaalachtig zijn, en begin ze dan steeds dichterbij te krijgen totdat ze beginnen te praten, ' en als ze heel dichtbij zijn, ze zijn in wezen uitgehold en worden isolerend."

Eerdere experimenten in 2010 en 2012 hadden ook de energiekloof op de metalen oppervlakken waargenomen naarmate het isolatiemateriaal dunner werd. Maar die studies concludeerden dat de energiekloof verscheen met veel dunnere isolerende lagen - vijf nanometer groot. Deze studie observeerde dat de metalen oppervlakte-eigenschappen afbreken bij een veel grotere inwendige dikte, tot 16 nanometer. De andere experimenten gebruikten verschillende "surface science"-methoden waarbij ze de materialen door een microscoop met een zeer scherpe metalen punt observeerden om elk atoom afzonderlijk te bekijken of ze bestudeerden met zeer energetisch licht.

"Dit waren extreem ingewikkelde experimenten die vrij ver verwijderd zijn van de apparaatcreatie die we aan het doen zijn, ' zei Deshpande.

Volgende, Deshpande en het team zullen de fysica nader onderzoeken om die energiekloof op de oppervlakken te creëren. Hij voorspelt dat deze gaten positief of negatief kunnen zijn, afhankelijk van de materiaaldikte.