In het kwantumrijk, elektronen kunnen zich groeperen om zich op interessante manieren te gedragen. Magnetisme is een van deze gedragingen die we in ons dagelijks leven zien, net als de zeldzamere verschijnselen van supergeleiding. Intrigerend, deze twee gedragingen zijn vaak antagonisten, wat betekent dat het bestaan ​​van een van hen vaak de andere vernietigt. Echter, als deze twee tegengestelde kwantumtoestanden gedwongen worden om kunstmatig naast elkaar te bestaan, een ongrijpbare toestand genaamd een topologische supergeleider verschijnt, wat opwindend is voor onderzoekers die topologische qubits proberen te maken.

Topologische qubits zijn opwindend als een van de potentiële technologieën voor toekomstige kwantumcomputers. Vooral, topologische qubits vormen de basis voor topologische kwantumcomputers, wat aantrekkelijk is omdat het veel minder gevoelig is voor interferentie van zijn omgeving die de metingen verstoort. Echter, het ontwerpen en controleren van topologische qubits is een kritisch open probleem gebleven, uiteindelijk vanwege de moeilijkheid om materialen te vinden die geschikt zijn voor deze staten, zoals topologische supergeleiders.

Om de ongrijpbaarheid van topologische supergeleiders te overwinnen, die opmerkelijk moeilijk te vinden zijn in natuurlijke materialen, natuurkundigen hebben methodologieën ontwikkeld om deze toestanden te manipuleren door gemeenschappelijke materialen te combineren. De basisingrediënten om topologische supergeleiders te ontwikkelen - magnetisme en supergeleiding - vereisen vaak het combineren van dramatisch verschillende materialen. Bovendien, het creëren van een topologisch supergeleidend materiaal vereist het kunnen afstemmen van het magnetisme en de supergeleiding, dus moeten onderzoekers bewijzen dat hun materiaal tegelijkertijd magnetisch en supergeleidend kan zijn, en dat ze beide eigenschappen kunnen beheersen. In hun zoektocht naar een dergelijk materiaal, onderzoekers hebben zich tot grafeen gewend.

Grafeen - een enkele laag koolstofatomen - vertegenwoordigt een zeer controleerbaar en algemeen materiaal en is naar voren gebracht als een van de kritische materialen voor kwantumtechnologieën. Echter, het naast elkaar bestaan ​​van magnetisme en supergeleiding is ongrijpbaar gebleven in grafeen, ondanks langdurige experimentele inspanningen die het bestaan ​​van deze twee staten onafhankelijk van elkaar hebben aangetoond. Deze fundamentele beperking vormt een kritisch obstakel voor de ontwikkeling van kunstmatige topologische supergeleiding in grafeen.

In een recent doorbraakexperiment, onderzoekers van de UAM in Spanje, CNRS in Frankrijk, en INL in Portugal, samen met de theoretische ondersteuning van Prof. Jose Lado aan de Aalto University, hebben een eerste stap op weg naar topologische qubits in grafeen aangetoond. De onderzoekers toonden aan dat enkele lagen grafeen gelijktijdig magnetisme en supergeleiding kunnen bevatten, door kwantumexcitaties te meten die uniek zijn voor dit samenspel. Deze baanbrekende vondst werd bereikt door het magnetisme van kristaldomeinen in grafeen te combineren, en de supergeleiding van afgezette metalen eilanden.

"Dit experiment laat zien dat twee belangrijke paradigmatische kwantumorden, supergeleiding, en magnetisme, gelijktijdig kunnen bestaan ​​in grafeen, " zei professor José Lado, "Uiteindelijk, dit experiment toont aan dat grafeen tegelijkertijd de noodzakelijke ingrediënten voor topologische supergeleiding kan bevatten. Hoewel we in het huidige experiment nog geen topologische supergeleiding hebben waargenomen, voortbouwend op dit experiment kunnen we mogelijk een nieuwe weg openen naar op koolstof gebaseerde topologische qubits."

De onderzoekers induceerden supergeleiding in grafeen door een eiland van een conventionele supergeleider dicht bij korrelgrenzen te deponeren, natuurlijk vormende naden in het grafeen die een iets andere magnetische eigenschappen hebben dan de rest van het materiaal. Het werd aangetoond dat de supergeleiding en het korrelgrensmagnetisme aanleiding gaven tot Yu-Shiba-Rusinov-toestanden, die alleen in een materiaal kan bestaan ​​als magnetisme en supergeleiding naast elkaar bestaan. De verschijnselen die het team in het experiment observeerde, kwamen overeen met het theoretische model ontwikkeld door professor Lado, waaruit blijkt dat de onderzoekers de kwantumverschijnselen in hun hybride designersysteem volledig kunnen beheersen.

De demonstratie van Yu-Shiba-Rusinov-staten in grafeen is de eerste stap naar de uiteindelijke ontwikkeling van op grafeen gebaseerde topologische qubits. Vooral, door Yu-Shiba-Rusinov-staten zorgvuldig te controleren, topologische supergeleiding en Majorana-toestanden kunnen worden gecreëerd. Topologische qubits op basis van Majorana-staten kunnen de beperkingen van huidige qubits mogelijk drastisch overwinnen, het beschermen van kwantuminformatie door gebruik te maken van de aard van deze onconventionele toestanden. Het ontstaan ​​van deze toestanden vereist een nauwgezette controle van de systeemparameters. Het huidige experiment vormt het kritische startpunt voor dit doel, waarop kan worden voortgebouwd om hopelijk een ontwrichtende weg te openen naar op koolstof gebaseerde topologische kwantumcomputers.