Een internationaal team met onder meer onderzoekers van de Universiteit van Würzburg is erin geslaagd een bijzondere staat van supergeleiding te creëren. Deze ontdekking zou de ontwikkeling van kwantumcomputers kunnen bevorderen. De resultaten worden gepubliceerd in Natuurfysica .

Supergeleiders zijn materialen die elektriciteit kunnen geleiden zonder elektrische weerstand, waardoor ze het ideale basismateriaal vormen voor elektronische componenten in MRI-machines, magnetische levitatietreinen en zelfs deeltjesversnellers. Conventionele supergeleiders worden echter gemakkelijk verstoord door magnetisme. Een internationale groep onderzoekers is er nu in geslaagd een hybride apparaat te bouwen dat bestaat uit een stabiele proximitized-supergeleider, versterkt door magnetisme en waarvan de functie specifiek kan worden gecontroleerd.

Ze combineerden de supergeleider met een speciaal halfgeleidermateriaal dat bekend staat als een topologische isolator. "Topologische isolatoren zijn materialen die elektriciteit op hun oppervlak geleiden, maar niet naar binnen. Dit komt door hun unieke topologische structuur, dat wil zeggen de speciale rangschikking van de elektronen", legt professor Charles Gould uit, een natuurkundige aan het Institute for Topological Insulators van de universiteit. van Würzburg (JMU). "Het opwindende is dat we topologische isolatoren kunnen uitrusten met magnetische atomen, zodat ze door een magneet kunnen worden bestuurd."

De supergeleiders en topologische isolatoren werden gekoppeld om een ​​zogenaamde Josephson-junctie te vormen, een verbinding tussen twee supergeleiders gescheiden door een dunne laag niet-supergeleidend materiaal. "Hierdoor konden we de eigenschappen van supergeleiding en halfgeleiders combineren", zegt Gould.

"Dus combineren we de voordelen van een supergeleider met de bestuurbaarheid van de topologische isolator. Met behulp van een extern magnetisch veld kunnen we nu de supergeleidende eigenschappen nauwkeurig controleren. Dit is een echte doorbraak in de kwantumfysica."

Supergeleiding ontmoet magnetisme

De speciale combinatie creëert een exotische toestand waarin supergeleiding en magnetisme worden gecombineerd – normaal gesproken zijn dit tegengestelde verschijnselen die zelden naast elkaar bestaan. Dit staat bekend als de door nabijheid veroorzaakte Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (p-FFLO) toestand.

De nieuwe ‘supergeleider met een controlefunctie’ kan van belang zijn voor praktische toepassingen, zoals de ontwikkeling van quantumcomputers. In tegenstelling tot conventionele computers zijn kwantumcomputers niet gebaseerd op bits, maar op kwantumbits (qubits), die niet slechts twee maar meerdere toestanden tegelijk kunnen aannemen.

‘Het probleem is dat kwantumbits momenteel erg onstabiel zijn omdat ze extreem gevoelig zijn voor invloeden van buitenaf, zoals elektrische of magnetische velden’, zegt Gould. "Onze ontdekking zou kunnen helpen kwantumbits te stabiliseren, zodat ze in de toekomst in kwantumcomputers kunnen worden gebruikt."

Meer informatie: Pankaj Mandal et al, Magnetisch afstembare superstroom in verdunde magnetische topologische isolator-gebaseerde Josephson-overgangen, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02477-1

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door Julius-Maximilians-Universität Würzburg