Ryan Day bestudeert supergeleiders. Materialen die elektriciteit perfect geleiden en geen energie verliezen aan warmte en weerstand. In het bijzonder bestudeert de wetenschapper van de University of California, Berkeley hoe supergeleiders naast hun tegenpolen kunnen bestaan; isolatiematerialen die de stroom van elektronen stoppen.

De materialen die deze twee tegengestelde toestanden combineren, topologische supergeleiders genoemd, zijn begrijpelijkerwijs raar, moeilijk te karakteriseren en te engineeren, maar als je ze goed zou kunnen ontwerpen, zouden ze een belangrijke rol kunnen spelen in kwantumcomputers.

"Elke computer is gevoelig voor fouten, en dat is niet anders als je overstapt op kwantumcomputing - het wordt gewoon een stuk moeilijker te beheren. Topologische kwantumcomputing is een van de platforms waarvan wordt gedacht dat ze veel van de meest voorkomende bronnen van fout", zegt Day, "maar topologische kwantumcomputers vereisen dat we een deeltje fabriceren dat nog nooit eerder in de natuur is gezien."

Day kwam naar de Canadese lichtbron van de Universiteit van Saskatchewan om de QMSC-bundellijn te gebruiken, een faciliteit die is gebouwd om precies dit soort vragen in kwantummaterialen te onderzoeken. De mogelijkheden zijn ontwikkeld onder leiding van Andrea Damascelli, wetenschappelijk directeur van het Stewart Blusson Quantum Matter Institute bij UBC, bij wie Day ten tijde van dit onderzoek een doctoraatsstudent was.

"QMSC is ontwikkeld om een ​​zeer nauwkeurige controle te hebben over een zeer breed scala aan energieën, dus je kunt echt uitzonderlijk nauwkeurige informatie krijgen over de elektronen terwijl ze in alle mogelijke richtingen bewegen", zei Day.

Zijn experiment, uitgevoerd bij temperaturen rond de 20 graden boven het absolute nulpunt, had tot doel tegenstrijdige resultaten op te lossen in het bestaande onderzoek naar supergeleiders met topologische toestanden.

"De experimenten die vóór de onze waren gedaan, waren echt goed, maar er waren enkele tegenstrijdigheden in de literatuur die beter begrepen moesten worden", legde hij uit. De relatieve nieuwheid van het veld, gecombineerd met de ongebruikelijke eigenschappen die materialen vertonen in de energiebereiken die voor dit onderzoek werden gebruikt, betekende dat het moeilijk was om te ontrafelen wat er gaande was met de topologische toestanden.

In zijn experimenten merkte Day op dat de topologische toestanden waren ingebed in een groot aantal andere elektronische toestanden die lithiumijzerarsenide - het supergeleidende materiaal dat hij bestudeert - ervan weerhoudt topologische supergeleiding te vertonen. Op basis van zijn metingen bij de CLS heeft hij voorgesteld dat dit probleem kan worden omzeild door het materiaal simpelweg uit te rekken.

De resultaten van dit werk, gepubliceerd in Physical Review B , leveren verder bewijs dat lithiumijzerarsenide topologische toestanden op het oppervlak ondersteunt, de sleutel tot het potentieel gebruik van het materiaal in kwantumcomputers. Het onthult ook potentiële uitdagingen voor het ontwerpen van materialen voor deze toepassingen, een gebied voor toekomstig onderzoek.

"Door deze experimenten te doen, kunnen we dit materiaal op een veel betere manier begrijpen en beginnen na te denken over hoe we het daadwerkelijk kunnen gebruiken, en hopelijk bouwt iemand er een kwantumcomputer mee en wint iedereen." + Verder verkennen

Majorana-fermionen hebben potentieel voor informatietechnologie zonder weerstand