Waarom is het bestuderen van spin-eigenschappen van eendimensionale kwantumnanodraden belangrijk?

Quantum nanodraden - die lengte maar geen breedte of hoogte hebben - bieden een unieke omgeving voor de vorming en detectie van een quasideeltje dat bekend staat als een Majorana-nulmodus.

Een nieuwe, door de UNSW geleide studie overwint eerdere problemen bij het detecteren van de Majorana-nulmodus, en produceert een aanzienlijke verbetering in de reproduceerbaarheid van het apparaat.

Mogelijke toepassingen voor Majorana-nulmodi zijn onder meer foutbestendige topologische kwantumcomputers, en topologische supergeleiding.

Majorana-fermionen in 1D-draden

Een Majorana-fermion is een samengesteld deeltje dat zijn eigen antideeltje is.

De interesse van dergelijke ongebruikelijke deeltjes komt academisch en commercieel voort uit hun potentiële gebruik in een topologische kwantumcomputer, voorspeld immuun te zijn voor de decoherentie die de kostbare kwantuminformatie willekeurig maakt.

Majorana-nulmodi kunnen worden gecreëerd in kwantumdraden gemaakt van speciale materialen waarin een sterke koppeling bestaat tussen hun elektrische en magnetische eigenschappen.

Vooral, Majorana-nulmodi kunnen worden gecreëerd in eendimensionale halfgeleiders (zoals halfgeleider-nanodraden) wanneer ze worden gekoppeld aan een supergeleider.

In een eendimensionale nanodraad, waarvan de afmetingen loodrecht op de lengte klein genoeg zijn om geen enkele beweging van subatomaire deeltjes mogelijk te maken, kwantumeffecten overheersen.

Nieuwe methode voor het detecteren van noodzakelijke spin-orbit gap

Eendimensionale halfgeleidersystemen met sterke spin-baaninteractie trekken veel aandacht vanwege mogelijke toepassingen in topologische kwantumcomputers.

De magnetische 'spin' van een elektron is als een kleine staafmagneet, waarvan de oriëntatie kan worden ingesteld met een aangelegd magnetisch veld.

In materialen met een 'spin-orbit interactie' wordt de spin van een elektron bepaald door de bewegingsrichting, zelfs bij nul magnetisch veld. Dit maakt alle elektrische manipulatie van magnetische kwantumeigenschappen mogelijk.

Het toepassen van een magnetisch veld op zo'n systeem kan een energiekloof openen zodat voorwaarts bewegende elektronen allemaal dezelfde spinpolarisatie hebben, en achterwaarts bewegende elektronen hebben de tegenovergestelde polarisatie. Deze 'spin-gap' is een eerste vereiste voor de vorming van Majorana-nulmodi.

Ondanks intensief experimenteel werk, het is buitengewoon moeilijk gebleken om deze spin-gap in halfgeleider nanodraden ondubbelzinnig te detecteren, aangezien de karakteristieke signatuur van de spin-gap (een dip in het geleidingsplateau wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd) zeer moeilijk te onderscheiden is van onvermijdelijke achtergrondstoornis in nanodraden.

De nieuwe studie vindt een nieuwe, ondubbelzinnige handtekening voor de spin-orbit gap die ongevoelig is voor de stoorniseffecten die eerdere studies teisterden.

"Deze handtekening zal in de toekomst de de-facto standaard worden voor het detecteren van spin-gaps, " zegt hoofdauteur Dr. Karina Hudson.

reproduceerbaarheid

Het gebruik van Majorana-nulmodi in een schaalbare kwantumcomputer staat voor een extra uitdaging vanwege de willekeurige wanorde en onvolkomenheden in de zelf-geassembleerde nanodraden die de MZM hosten.

Het was voorheen bijna onmogelijk om reproduceerbare apparaten te fabriceren, met slechts ongeveer 10% van de apparaten die binnen de gewenste parameters functioneren.

De laatste UNSW-resultaten laten een aanzienlijke verbetering zien, met reproduceerbare resultaten op zes apparaten op basis van drie verschillende startwafels.

"Dit werk opent een nieuwe weg naar het maken van volledig reproduceerbare apparaten, " zegt corresponderende auteur Prof Alex Hamilton UNSW).

"Nieuwe handtekeningen van de spin-gap in kwantumpuntcontacten" werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie in januari 2021.