• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • En väg till grafentopologiska qubits

    Schematisk illustration av samspelet mellan magnetism och supraledning i en grafenkorngräns, en potentiell byggsten för kolbaserade topologiska qubits Kredit:Jose Lado/Aalto University

    I kvantvärlden, elektroner kan gruppera sig för att bete sig på intressanta sätt. Magnetism är ett av dessa beteenden som vi ser i vårt dagliga liv, liksom de mer sällsynta fenomenen med supraledning. Spännande nog, dessa två beteenden är ofta antagonister, vilket innebär att existensen av en av dem ofta förstör den andra. Dock, om dessa två motsatta kvanttillstånd tvingas samexistera på konstgjord väg, ett svårfångat tillstånd som kallas en topologisk supraledare uppträder, vilket är spännande för forskare som försöker göra topologiska qubits.

    Topologiska qubits är spännande som en av de potentiella teknologierna för framtida kvantdatorer. Särskilt, topologiska kvantbitar utgör grunden för topologisk kvantberäkning, vilket är attraktivt eftersom det är mycket mindre känsligt för störningar från omgivningen från störande mätningar. Dock, att designa och kontrollera topologiska qubits har förblivit ett kritiskt öppet problem, slutligen på grund av svårigheten att hitta material som kan vara värd för dessa stater, såsom topologiska supraledare.

    För att övervinna det svårfångade med topologiska supraledare, som är anmärkningsvärt svåra att hitta i naturmaterial, fysiker har utvecklat metoder för att konstruera dessa tillstånd genom att kombinera vanliga material. De grundläggande ingredienserna för att konstruera topologiska supraledare - magnetism och supraledning - kräver ofta att man kombinerar dramatiskt olika material. Vad mer, att skapa ett topologiskt supraledande material kräver att man kan finjustera magnetismen och supraledningsförmågan, så forskare måste bevisa att deras material kan vara både magnetiskt och supraledande på samma gång, och att de kan kontrollera båda fastigheterna. I deras sökande efter ett sådant material, forskare har vänt sig till grafen.

    Grafen - ett enda lager av kolatomer - representerar ett mycket kontrollerbart och vanligt material och har lyfts fram som ett av de kritiska materialen för kvantteknik. Dock, samexistensen av magnetism och supraledning har förblivit svårfångad i grafen, trots långvariga experimentella ansträngningar som visade att dessa två stater existerade oberoende av varandra. Denna grundläggande begränsning representerar ett kritiskt hinder för utvecklingen av artificiell topologisk supraledning i grafen.

    I ett nyligen genombrottsexperiment, forskare vid UAM i Spanien, CNRS i Frankrike, och INL i Portugal, tillsammans med teoretiskt stöd från prof. Jose Lado vid Aalto-universitetet, har visat ett första steg längs en väg mot topologiska qubits i grafen. Forskarna visade att enstaka lager av grafen kan vara värd för samtidig magnetism och supraledning, genom att mäta kvantexcitationer som är unika för detta samspel. Detta genombrottsfynd uppnåddes genom att kombinera magnetismen hos kristalldomäner i grafen, och supraledningsförmågan hos avsatta metalliska öar.

    "Detta experiment visar att två viktiga paradigmatiska kvantordningar, supraledning, och magnetism, kan samtidigt samexistera i grafen, sade professor Jose Lado, "I sista hand, detta experiment visar att grafen samtidigt kan vara värd för de nödvändiga ingredienserna för topologisk supraledning. Medan vi i det aktuella experimentet ännu inte har observerat topologisk supraledning, Utöver detta experiment kan vi potentiellt öppna en ny väg mot kolbaserade topologiska qubits."

    Forskarna inducerade supraledning i grafen genom att deponera en ö av en konventionell supraledare nära korngränserna, bildar naturligt sömmar i grafenet som har något annorlunda magnetiska egenskaper än resten av materialet. Superledningsförmågan och korngränsmagnetismen visades ge upphov till Yu-Shiba-Rusinov-stater, som bara kan existera i ett material när magnetism och supraledning samexisterar tillsammans. De fenomen som teamet observerade i experimentet stämde överens med den teoretiska modellen som utvecklats av professor Lado, visar att forskarna helt kan kontrollera kvantfenomenen i deras designerhybridsystem.

    Demonstrationen av Yu-Shiba-Rusinov-tillstånd i grafen är det första steget mot den ultimata utvecklingen av grafenbaserade topologiska qubits. Särskilt, genom att noggrant kontrollera Yu-Shiba-Rusinov-staterna, topologisk supraledning och Majorana-tillstånd kan skapas. Topologiska qubits baserade på Majorana-tillstånd kan potentiellt drastiskt övervinna begränsningarna för nuvarande qubits, att skydda kvantinformation genom att utnyttja naturen hos dessa okonventionella stater. Uppkomsten av dessa tillstånd kräver noggrann kontroll av systemparametrarna. Det aktuella experimentet etablerar den kritiska utgångspunkten för detta mål, som kan byggas på för att förhoppningsvis öppna en störande väg till kolbaserade topologiska kvantdatorer.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com