Wetenschappers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy hebben ontdekt dat het periodiek toepassen van trillingsbewegingen de sleutel kan zijn tot het voorkomen van dissipaties van de gewenste elektronentoestanden die geavanceerde kwantumcomputers en spintronica mogelijk zouden maken.

Sommige topologische materialen zijn isolatoren in hun bulkvorm, maar bezitten elektronengeleidend gedrag op hun oppervlak. Hoewel de verschillen in het gedrag van deze oppervlakte-elektronen deze materialen zo veelbelovend maken voor technologische toepassingen, het vormt ook een uitdaging:ongecontroleerde interacties tussen oppervlakte-elektronen en de toestand van het bulkmateriaal kunnen ervoor zorgen dat elektronen ongeordend worden verstrooid, wat leidt tot zogenaamde "topologische afbraak". Ze worden niet beschermd door enige "spontane" symmetrie.

"Topologische isolatoren die een aanhoudende spin-locked stroom op hun oppervlak kunnen ondersteunen die niet vervalt, worden 'beschermd tegen symmetrie' genoemd, ' en die toestand is dwingend voor meerdere revolutionaire apparaatconcepten in kwantumcomputing en spintronica, " zei Jigang Wang, Ames Laboratory-fysicus en professor aan de Iowa State University. "Maar de topologische afbraak als gevolg van oppervlakte-bulkkoppeling is een al lang bestaand wetenschappelijk en technisch probleem."

Wang en zijn collega-onderzoekers namen een paradoxale benadering, dynamische stabilisatie genoemd, door een terahertz elektrisch veld toe te passen om periodieke atomaire trillingen aan te drijven, d.w.z., trillingscoherentie, in het model topologische isolator bismut-selenium Bi ₂ Se ₃ . Deze extra "fluctuaties" verbeterden in feite de beschermde topologische toestanden, waardoor de elektronische excitaties langer leefden.

Een analogie van een dergelijke dynamische stabilisatie is de periodiek aangedreven Kapitza-slinger, bekend door Nobelprijswinnaar Peter Kapitza, waar een omgekeerde, maar stabiel, oriëntatie wordt bereikt door een voldoende hoogfrequente trilling van het draaipunt op te leggen. Op een vergelijkbare manier, extra dynamische stabilisatie kan worden bereikt door kwantumperiodieke bewegingen van het rooster aan te sturen.

"We demonstreren de dynamische stabilisatie in topologische materie als een nieuwe universele afstemknop, die kunnen worden gebruikt om beschermd kwantumtransport te versterken, " zei Wang, die gelooft dat de ontdekking verstrekkende gevolgen heeft voor het gebruik van deze materialen voor veel wetenschappelijke en technologische disciplines, zoals wanordetolerante kwantuminformatie- en communicatietoepassingen en spingebaseerde, lichtgolf kwantum elektronica.

Het onderzoek wordt verder besproken in een paper, "Lichtregeling van oppervlakte-bulkkoppeling door Terahertz vibratiecoherentie in een topologische isolator, " geschreven door X. Yang, L. Luo., C. Vaswani, X. Zhao, D. Cheng, Z. Liu, R.H.J. Kim, X. Liu, M. Dobrowolska, JK Furdyna, IE Perakis, CZ Wang, K-M Ho en J. Wang; en gepubliceerd in npj Quantum Materialen .