Sinds het ontvangen van een subsidie ​​van $ 25 miljoen in 2019 om de eerste National Science Foundation (NSF) Quantum Foundry te worden, UC Santa Barbara-onderzoekers die aan de gieterij zijn verbonden, hebben gewerkt aan de ontwikkeling van materialen die op kwantuminformatie gebaseerde technologieën mogelijk maken voor toepassingen als kwantumcomputers, communicatie, voelen, en simulatie.

Ze hebben het misschien gedaan.

In een nieuwe krant gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen , co-directeur van de gieterij en UCSB-materiaalprofessor Stephen Wilson en meerdere co-auteurs, waaronder belangrijke medewerkers van Princeton University, een nieuw materiaal bestuderen dat in de Quantum Foundry is ontwikkeld als een kandidaat-supergeleider - een materiaal waarin elektrische weerstand verdwijnt en magnetische velden worden verdreven - dat nuttig zou kunnen zijn bij toekomstige kwantumberekeningen.

Een eerder artikel gepubliceerd door Wilson's groep in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven en te zien in Natuurkunde tijdschrift beschreef een nieuw materiaal, cesium vanadium antimonide (CsV ₃ sb ₅ ), die een verrassende mix van kenmerken vertoont met een zelfgeorganiseerde ladingspatroon verweven met een supergeleidende toestand. De ontdekking werd gedaan door Elings Postdoctoral Fellow Brenden R. Ortiz. Zoals het blijkt, Wilson zei, die kenmerken worden gedeeld door een aantal verwante materialen, inclusief RbV ₃ sb ₅ en KV ₃ sb ₅ , de laatste (een mengsel van kalium, vanadium en antimoon), het onderwerp van dit meest recente artikel, getiteld "Ontdekking van onconventionele chirale ladingsvolgorde in Kagome supergeleider KV ₃ sb ₅ ."

Materialen in deze groep verbindingen, Wilson merkte op, "er wordt voorspeld dat ze interessante golffysica met ladingsdichtheid bevatten [dat wil zeggen, hun elektronen organiseren zichzelf in een niet-uniform patroon over de metaalplaatsen in de verbinding]. De eigenaardige aard van deze zelf-georganiseerde patroonvorming van elektronen is de focus van het huidige werk."

Deze voorspelde golftoestand van de ladingsdichtheid en andere exotische fysica komen voort uit het netwerk van vanadium (V) -ionen in deze materialen, die een hoekdelend netwerk van driehoeken vormen dat bekend staat als een kagome-rooster. KV ₃ sb ₅ werd ontdekt als een zeldzaam metaal, opgebouwd uit Kagome-roostervlakken, een die ook supergeleidt. Sommige van de andere kenmerken van het materiaal brachten onderzoekers ertoe te speculeren dat ladingen erin kleine stroomkringen kunnen vormen die lokale magnetische velden creëren.

Materiaalwetenschappers en natuurkundigen hebben lang voorspeld dat er een materiaal zou kunnen worden gemaakt dat een soort golfvolgorde van ladingsdichtheid zou vertonen die de zogenaamde tijdomkeersymmetrie doorbreekt. "Dat betekent dat het een magnetisch moment heeft, of een veld, ermee verbonden, Wilson zei. "Je kunt je voorstellen dat er bepaalde patronen op het Kagome-rooster zijn waar de lading in een kleine lus beweegt. Die lus is als een stroomlus, en het zal je een magnetisch veld geven. Zo'n toestand zou een nieuwe elektronische toestand van materie zijn en zou belangrijke gevolgen hebben voor de onderliggende onconventionele supergeleiding."

De rol van de groep van Wilson was om het materiaal te maken en de bulkeigenschappen ervan te karakteriseren. Het Princeton-team gebruikte vervolgens hoge resolutie scanning tunneling microscopie (STM) om te identificeren wat volgens hen de handtekeningen zijn van een dergelijke staat, die, Wilson zei, "worden ook verondersteld te bestaan ​​in andere afwijkende supergeleiders, zoals die welke supergeleiden bij hoge temperatuur, hoewel het niet definitief is aangetoond."

STM werkt door een zeer scherpe punt van metaaldraad over een oppervlak te scannen. Door de tip extreem dicht bij het oppervlak te brengen en een elektrische spanning op de tip of op het monster aan te brengen, het oppervlak kan worden afgebeeld tot op de schaal van het oplossen van individuele atomen en waar de elektronen zich groeperen. In de paper beschrijven de onderzoekers het zien en analyseren van een patroon van orde in de elektronische lading, die verandert als een magnetisch veld wordt aangelegd. Deze koppeling met een extern magnetisch veld suggereert een golftoestand van ladingsdichtheid die zijn eigen magnetisch veld creëert.

Dit is precies het soort werk waarvoor de Quantum Foundry is opgericht. "De bijdrage van de gieterij is belangrijk, Wilson zei. "Het heeft een leidende rol gespeeld bij de ontwikkeling van deze materialen, en gieterijonderzoekers ontdekten supergeleiding in hen en vonden toen handtekeningen die erop wezen dat ze een ladingsdichtheidsgolf zouden kunnen hebben. Nutsvoorzieningen, de materialen worden wereldwijd bestudeerd, omdat ze verschillende aspecten hebben die voor veel verschillende gemeenschappen van belang zijn.

"Ze zijn interessant, bijvoorbeeld, voor mensen in kwantuminformatie als potentiële topologische supergeleiders, " vervolgde hij. "Ze zijn van belang voor mensen die nieuwe fysica bestuderen in topologische metalen, omdat ze mogelijk interessante correlatie-effecten bevatten, gedefinieerd als de interactie van de elektronen met elkaar, en dat is mogelijk wat het ontstaan ​​van deze golftoestand met ladingsdichtheid mogelijk maakt. En ze zijn interessant voor mensen die supergeleiding bij hoge temperaturen nastreven, omdat ze elementen hebben die ze lijken te koppelen aan enkele van de kenmerken die in die materialen worden gezien, hoewel KV ₃ sb ₅ supergeleidend bij een vrij lage temperatuur."

Als KV ₃ sb ₅ blijkt te zijn wat het vermoedt te zijn, het zou kunnen worden gebruikt om een ​​topologische qubit bruikbaar te maken in toepassingen voor kwantuminformatie. Bijvoorbeeld, Wilson zei, "Bij het maken van een topologische computer, men wil qubits maken waarvan de prestaties worden verbeterd door de symmetrieën in het materiaal, wat betekent dat ze niet de neiging hebben om te decoheren [decoherentie van vluchtige verstrengelde kwantumtoestanden die een groot obstakel zijn in kwantumcomputers] en daarom een ​​verminderde behoefte hebben aan conventionele foutcorrectie.

"Er zijn alleen bepaalde soorten staten die kunnen dienen als een topologische qubit, en een topologische supergeleider zal er naar verwachting een hosten, " voegde hij eraan toe. "Dergelijke materialen zijn zeldzaam. Daarvoor kan dit systeem interessant zijn, maar het is verre van bevestigd, en het is moeilijk om te bevestigen of het zo is of niet. Er moet nog veel worden gedaan om deze nieuwe klasse supergeleiders te begrijpen."