Een nieuwe samensmelting van materialen, elk met speciale elektrische eigenschappen, heeft alle componenten die nodig zijn voor een uniek type supergeleiding dat de basis zou kunnen vormen voor robuustere kwantumcomputers. De nieuwe combinatie van materialen, gecreëerd door een team onder leiding van onderzoekers van Penn State, zou ook een platform kunnen bieden om fysiek gedrag te onderzoeken dat vergelijkbaar is met dat van mysterieuze, theoretische deeltjes die bekend staan ​​als chirale Majoranas, wat een ander veelbelovend onderdeel zou kunnen zijn voor kwantumcomputers.

De nieuwe studie verschijnt in het tijdschrift Science . Het werk beschrijft hoe de onderzoekers de twee magnetische materialen combineerden in wat zij een cruciale stap noemden in de richting van het realiseren van de opkomende grensvlaksupergeleiding, waar ze momenteel naartoe werken.

Supergeleiders (materialen zonder elektrische weerstand) worden veel gebruikt in digitale circuits, de krachtige magneten in magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en deeltjesversnellers, en andere technologie waarbij het maximaliseren van de elektriciteitsstroom van cruciaal belang is.

Wanneer supergeleiders worden gecombineerd met materialen die magnetische topologische isolatoren worden genoemd - dunne films van slechts een paar atomen dik die magnetisch zijn gemaakt en de beweging van elektronen tot aan hun randen beperken - werken de nieuwe elektrische eigenschappen van elke component samen om 'chirale topologische supergeleiders' te produceren.

De topologie, of gespecialiseerde geometrieën en symmetrieën van materie, genereert unieke elektrische verschijnselen in de supergeleider, die de constructie van topologische kwantumcomputers zouden kunnen vergemakkelijken.

Kwantumcomputers hebben het potentieel om complexe berekeningen uit te voeren in een fractie van de tijd die traditionele computers nodig hebben, omdat, in tegenstelling tot traditionele computers die gegevens opslaan als een één of een nul, de kwantumbits van kwantumcomputers gegevens tegelijkertijd opslaan in een reeks mogelijke toestanden.

Topologische kwantumcomputers verbeteren kwantumcomputers verder door te profiteren van de manier waarop elektrische eigenschappen zijn georganiseerd om de computers robuust te maken tegen decoherentie, of tegen het verlies van informatie dat optreedt wanneer een kwantumsysteem niet perfect geïsoleerd is.

"Het creëren van chirale topologische supergeleiders is een belangrijke stap in de richting van topologische kwantumberekeningen die kunnen worden opgeschaald voor breed gebruik", zegt Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr Early Career Professor en universitair hoofddocent natuurkunde aan Penn State en co-corresponderend auteur van het papier.

"Chirale topologische supergeleiding vereist drie ingrediënten:supergeleiding, ferromagnetisme en een eigenschap die topologische orde wordt genoemd. In deze studie hebben we een systeem geproduceerd met alle drie deze eigenschappen."

De onderzoekers gebruikten een techniek genaamd moleculaire bundelepitaxie om een ​​topologische isolator die magnetisch is gemaakt te stapelen met een ijzerchalcogenide (FeTe), een veelbelovend overgangsmetaal voor het benutten van supergeleiding. De topologische isolator is een ferromagneet, een type magneet waarvan de elektronen op dezelfde manier draaien, terwijl FeTe een antiferromagneet is, waarvan de elektronen in afwisselende richtingen draaien.

De onderzoekers gebruikten een verscheidenheid aan beeldvormingstechnieken en andere methoden om de structuur en elektrische eigenschappen van het resulterende gecombineerde materiaal te karakteriseren en bevestigden de aanwezigheid van alle drie kritische componenten van chirale topologische supergeleiding op het grensvlak tussen de materialen.

Eerder werk in het veld was gericht op het combineren van supergeleiders en niet-magnetische topologische isolatoren. Volgens de onderzoekers was het toevoegen van de ferromagneet bijzonder uitdagend.

"Normaal gesproken concurreren supergeleiding en ferromagnetisme met elkaar, dus het is zeldzaam om robuuste supergeleiding te vinden in een ferromagnetisch materiaalsysteem", zegt Chao-Xing Liu, hoogleraar natuurkunde aan Penn State en co-corresponderende auteur van het artikel.

"Maar de supergeleiding in dit systeem is eigenlijk heel robuust tegen het ferromagnetisme. Je zou een heel sterk magnetisch veld nodig hebben om de supergeleiding te verwijderen."

Het onderzoeksteam onderzoekt nog steeds waarom supergeleiding en ferromagnetisme naast elkaar bestaan ​​in dit systeem.

"Het is eigenlijk best interessant omdat we twee magnetische materialen hebben die niet-supergeleidend zijn, maar we voegen ze samen en het grensvlak tussen deze twee verbindingen produceert een zeer robuuste supergeleiding", zei Chang.

"IJzerchalcogenide is antiferromagnetisch en we verwachten dat de antiferromagnetische eigenschap ervan rond het grensvlak verzwakt wordt om aanleiding te geven tot de opkomende supergeleiding, maar we hebben meer experimenten en theoretisch werk nodig om te verifiëren of dit waar is en om het supergeleidende mechanisme te verduidelijken."

De onderzoekers zeiden dat ze geloven dat dit systeem nuttig zal zijn bij de zoektocht naar materiële systemen die vergelijkbaar gedrag vertonen als Majorana-deeltjes – theoretische subatomaire deeltjes die voor het eerst werden verondersteld in 1937. Majorana-deeltjes fungeren als hun eigen antideeltje, een unieke eigenschap die hen mogelijk in staat zou kunnen stellen om gebruikt als kwantumbits in kwantumcomputers.

"Het leveren van experimenteel bewijs voor het bestaan ​​van chirale Majorana zal een cruciale stap zijn in de creatie van een topologische kwantumcomputer", zei Chang. "Ons vakgebied heeft een moeilijk verleden achter de rug bij het vinden van deze ongrijpbare deeltjes, maar we denken dat dit een veelbelovend platform is voor het verkennen van de Majorana-fysica."

Meer informatie: Hemian Yi et al, Interface-geïnduceerde supergeleiding in magnetische topologische isolatoren, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adk1270. www.science.org/doi/10.1126/science.adk1270

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door Pennsylvania State University