Een team van theoretische en experimentele natuurkundigen heeft een nieuw ultradun materiaal ontworpen dat ze hebben gebruikt om ongrijpbare kwantumtoestanden te creëren. Eendimensionale Majorana nul-energiemodi genoemd, deze kwantumtoestanden kunnen een enorme impact hebben op kwantumcomputing.

De kern van een kwantumcomputer is een qubit, die wordt gebruikt om snelle berekeningen te maken. De qubits die Google, bijvoorbeeld, in de vorig jaar onthulde Sycamore-processor, en anderen die momenteel worden gebruikt, zijn erg gevoelig voor ruis en interferentie van de omgeving van de computer, die fouten in de berekeningen introduceert. Een nieuw type qubit, een topologische qubit genoemd, zou dit probleem kunnen oplossen, en 1D Majorana nul-energiemodi kunnen de sleutel zijn om ze te maken. "Een topologische kwantumcomputer is gebaseerd op topologische qubits, die geacht worden veel meer ruistolerant te zijn dan andere qubits. Echter, topologische qubits zijn nog niet in het laboratorium geproduceerd, " legt professor Peter Liljeroth uit, de hoofdonderzoeker van het project.

Wat zijn MZM's?

MZM's zijn groepen elektronen die op een specifieke manier aan elkaar zijn gebonden, zodat ze zich gedragen als een deeltje dat een Majorana-fermion wordt genoemd, een semi-mythisch deeltje dat voor het eerst werd voorgesteld door de semi-mythische natuurkundige Ettore Majorana in de jaren dertig. Als de theoretische deeltjes van Majorana aan elkaar zouden kunnen worden gebonden, ze zouden werken als een topologische qubit. Eén vangst:er is nooit bewijs voor hun bestaan ​​​​gezien, hetzij in het laboratorium of in de astronomie. In plaats van te proberen een deeltje te maken dat niemand ooit ergens in het universum heeft gezien, onderzoekers proberen in plaats daarvan reguliere elektronen zich als hen te laten gedragen.

Om MZM's te maken, onderzoekers hebben ongelooflijk kleine materialen nodig, een gebied waarin de groep van professor Liljeroth aan de Aalto University is gespecialiseerd. MZM's worden gevormd door een groep elektronen een zeer specifieke hoeveelheid energie te geven, en dan ze samen opsluiten, zodat ze niet kunnen ontsnappen. Om dit te behalen, de materialen moeten 2-dimensionaal zijn, en zo dun als fysiek mogelijk. Om 1D MZM's te maken, het team moest een geheel nieuw type 2D-materiaal maken:een topologische supergeleider.

Topologische supergeleiding is de eigenschap die optreedt op de grens van een magnetische elektrische isolator en een supergeleider. Om 1D MZM's te maken, Het team van professor Liljeroth moest elektronen samen kunnen vangen in een topologische supergeleider, het is echter niet zo eenvoudig als een magneet op een supergeleider plakken.

"Als je de meeste magneten bovenop een supergeleider plaatst, je voorkomt dat het een supergeleider is, " legt Dr. Shawulienu Kezilebieke uit, de eerste auteur van de studie. "De interacties tussen de materialen verstoren hun eigenschappen, maar om MZM's te maken, je hebt de materialen maar een klein beetje nodig om met elkaar om te gaan. De truc is om 2D-materialen te gebruiken:ze hebben net genoeg interactie met elkaar om de eigenschappen te maken die je nodig hebt voor MZM's, maar niet zozeer dat ze elkaar verstoren."

De eigenschap in kwestie is de spin. In een magnetisch materiaal, de spin is allemaal in dezelfde richting uitgelijnd, terwijl in een supergeleider de spin anti-uitgelijnd is met afwisselende richtingen. Het samenbrengen van een magneet en een supergeleider vernietigt meestal de uitlijning en anti-uitlijning van de spins. Echter, in 2-D gelaagde materialen zijn de interacties tussen de materialen net genoeg om de spins van de atomen voldoende te "kantelen" om de specifieke spintoestand te creëren, genaamd Rashba spin-baan koppeling, nodig om de MZM's te maken.

De MZM's vinden

De topologische supergeleider in deze studie is gemaakt van een laag chroombromide, een materiaal dat nog steeds magnetisch is als het maar één atoom dik is. Professor Liljeroth's team kweekte eilanden van chroombromide van één atoom dik bovenop een supergeleidend kristal van niobiumdiselenide, en hun elektrische eigenschappen gemeten met behulp van een scanning tunneling microscoop. Op dit punt, ze wendden zich tot de computermodelleringsexpertise van professor Adam Foster van de Aalto University en professor Teemu Ojanen, nu aan de Universiteit van Tampere, om te begrijpen wat ze hadden gemaakt.

"Er was veel simulatiewerk nodig om te bewijzen dat het signaal dat we zien werd veroorzaakt door MZM's, en geen andere effecten, ", zegt professor Foster. "We moesten aantonen dat alle stukjes in elkaar pasten om te bewijzen dat we MZM's hadden geproduceerd."

Nu weet het team zeker dat ze 1D MZM's kunnen maken in 2-dimensionale materialen, de volgende stap zal zijn om te proberen er topologische qubits van te maken. Deze stap is tot nu toe ontgaan aan teams die al 0-dimensionale MZM's hebben gemaakt, en het Aalto-team willen niet speculeren of het proces eenvoudiger zal zijn met 1-dimensionale MZM's, ze zijn echter optimistisch over de toekomst van 1D MZM's.

"Het leuke van dit artikel is dat we MZM's hebben gemaakt in 2D-materialen, " zei professor Liljeroth "In principe zijn deze gemakkelijker te maken en gemakkelijker om de eigenschappen van aan te passen, en uiteindelijk tot een bruikbaar apparaat te maken."

De krant, Topologische supergeleiding in een van der Waals heterostructuur, werd gepubliceerd op 17 december in Natuur .