Det experimentella förverkligandet av ultratunt grafen - som fick två forskare från Cambridge Nobelpriset i fysik 2010 - har inlett en ny tid inom materialforskning.

Det som började med grafen har utvecklats till att inkludera många relaterade enkelatomtjocka material, som har ovanliga egenskaper på grund av deras ultratunna. Bland dem finns övergångsmetalldikalkogenider (TMD), material som erbjuder flera nyckelfunktioner som inte är tillgängliga i grafen och som framstår som nästa generations halvledare.

TMD kan inse topologisk supraledning och därmed tillhandahålla en plattform för kvantberäkning - det slutliga målet för en Cornell -forskargrupp som leds av Eun -Ah Kim, docent i fysik.

"Vårt förslag är väldigt realistiskt - därför är det spännande, "Kim sa om sin grupps forskning." Vi har en teoretisk strategi för att materialisera en topologisk superledare ... och det kommer att vara ett steg mot att bygga en kvantdator. Superledningens historia under de senaste 100 åren har letts av oavsiktliga upptäckter. Vi har ett förslag som bygger på fasta principer.

"Istället för att hoppas på ett nytt material som har de egenskaper du vill ha, " Hon sa, "låt oss gå efter det med insikt och designprincip."

Yi-Ting Hsu, en doktorand i Kim -gruppen, är huvudförfattare till "Topologisk supraledning i monoskiktsövergångsmetalldikalkogenider, "publicerad 11 april Naturkommunikation . Andra teammedlemmar inkluderar Kim Groups alumner Mark Fischer, nu på ETH Zürich i Schweiz, och Abolhassan Vaezi, nu vid Stanford University.

Gruppens förslag:TMD:s ovanliga egenskaper gynnar två topologiska supraledande stater, som, om experimentellt bekräftat, kommer att öppna möjligheter för manipulering av topologiska superledare vid temperaturer nära absolut noll.

Kim identifierade hål-dopade (positiva laddningsförstärkta) enkelskikts-TMD:er som en lovande kandidat för topologisk supraledning, baserat på den kända speciella låsningen mellan centrifugeringstillstånd och kinetisk energi hos elektroner (spin-valley-låsning) av enkelskikts-TMD:er, liksom de senaste observationerna av supraledningsförmåga i elektrondopade (negativ laddningsförstärkta) enkelskikts-TMD:er.

Gruppens mål är en superledare som arbetar vid cirka 1 grad Kelvin (cirka minus 457 Fahrenheit), som kunde kylas med flytande helium tillräckligt för att bibehålla kvantberäkningspotentialen i ett supraledande tillstånd.

Teoretiskt sett inrymma en kvantdator som är tillräckligt kraftfull för att motivera den kraft som behövs för att hålla superledaren vid 1 grad Kelvin är inte uteslutet, Sa Kim. Faktiskt, IBM har redan en 7-qubit (kvantbit) dator, som arbetar med mindre än 1 Kelvin, tillgänglig för allmänheten genom IBM Quantum Experience.

En kvantdator med ungefär sex gånger fler qubits skulle i grunden förändra datorer, Sa Kim.

"Om du kommer till 40 qubits, att datorkraften kommer att överstiga alla klassiska datorer där ute, "sa hon." Och att hysa en 40-qubit [kvantdator] i kryogen temperatur är inte så stor grej. Det kommer att bli en revolution. "

Kim och hennes grupp arbetar med Debdeep Jena och Grace Xing inom el- och datorteknik, och Katja Nowack av fysik, genom ett tvärvetenskapligt forskargrupps fröbidrag från Cornell Center for Materials Research. Varje grupp sammanför forskare från olika avdelningar, med stöd från både universitetet och National Science Foundations program för materialforskningsvetenskap och teknikcentra.

"Vi kombinerar den tekniska expertisen hos DJ och Grace, och expertis Katja har inom mesoskopiska system och superledare, "Kim sa." Det kräver olika sakkunskap att samlas för att driva detta, och CCMR tillåter det. "