Fysiker vid University of California, Irvine och på andra håll har tillverkat nya tvådimensionella kvantmaterial med banbrytande elektriska och magnetiska attribut som kan göra dem till byggstenar för framtida kvantdatorer och annan avancerad elektronik.

I tre separata studier som visas denna månad i Natur , Vetenskapliga framsteg och Naturmaterial , UCI -forskare och kollegor från UC Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory, Princeton Universitet, Fudan University och University of Maryland utforskade fysiken bakom 2-D-tillstånden för nya material och bestämde att de kunde driva datorer till nya höjder av hastighet och kraft.

De röda trådarna som går genom tidningarna är att forskningen bedrivs vid extremt kalla temperaturer och att signalbärarna i alla tre studierna inte är elektroner - som med traditionell kiselbaserad teknik - utan Dirac eller Majorana fermioner, partiklar utan massa som rör sig med nästan ljusets hastighet.

"Till sist, vi kan ta exotiska, avancerade teorier i fysik och göra något användbart, "säger UCI docent i fysik och astronomi Jing Xia, en motsvarande författare på två av studierna. "Vi undersöker möjligheten att göra topologiska kvantdatorer [för närvarande teoretiska] under de närmaste 100 åren."

En av de viktigaste utmaningarna för sådan forskning är att hantera och analysera prover av mindre material, bara två atomer tjocka, flera mikron lång och några mikron tvärs över. Xia laboratorium vid UCI är utrustat med ett fiberoptiskt Sagnac interferometermikroskop som han byggde. (Den enda andra som finns är vid Stanford University, monterad av Xia när han var doktorand där.) Kallar det världens känsligaste magnetmikroskop, Xia jämför det med ett teleskop som en ornitolog i Irvine kan använda för att inspektera ett fågels öga i New York.

"Denna maskin är det perfekta mätverktyget för dessa upptäckter, "sade UCI -doktoranden Alex Stern, huvudförfattare på två av tidningarna. "Det är det mest exakta sättet att optiskt mäta magnetism i ett material."

I en studie som ska publiceras den 24 april Natur , forskarna beskriver deras observation - via Sagnac -interferometern - av magnetism i en mikroskopisk fling av krom germanium tellurid. Föreningen, som de skapade, visades vid minus 387 grader Fahrenheit. CGT är en kusin till grafen, en tunn tunn kolfilm. Sedan dess upptäckt, grafen har ansetts vara en potentiell ersättning för kisel i nästa generations datorer och andra enheter på grund av den hastighet med vilken elektroniska signaler sprider över dess nästan perfekt plana yta.

Men det finns en hake:Vissa datorkomponenter, såsom minnes- och lagringssystem, måste vara gjorda av material som har både elektroniska och magnetiska egenskaper. Graphene har den förra men inte den senare. CGT har båda.

Hans laboratorium använde också Sagnac -interferometern för en studie som publicerades i Vetenskapliga framsteg undersöka vad som händer i det exakta ögonblicket som vismut och nickel bringas i kontakt med varandra - igen vid en mycket låg temperatur (i detta fall, minus 452 grader Fahrenheit). Xia sa att hans team hittade vid gränssnittet mellan de två metallerna "en exotisk superledare som bryter tidsomvändningssymmetri."

"Tänk dig att du vrider tillbaka klockan och en kopp rött te blir grönt. Skulle det inte göra detta te väldigt exotiskt? Detta är verkligen exotiskt för superledare, "sa han." Och det är första gången det har observerats i 2-D-material. "

Signalbärarna i denna 2-D superledare är Majorana fermioner, som kan användas för en flätningsoperation som teoretiker tror är avgörande för kvantberäkning.

"Frågan nu är att försöka uppnå detta vid normala temperaturer, "Sa Xia. Den tredje studien visar löften om att övervinna det hindret.

Under 2012, Xia laboratorium levererade en radiofrekvensoscillator till Defense Advanced Research Projects Agency, byggd kring samariumhexaborid. Ämnet är en isolator på insidan men tillåter signalbärande ström av Dirac fermioner att flöda fritt på dess 2-D yta.

Med hjälp av en speciell apparat inbyggd i Xia -labbet - också en av bara två i världen - applicerade UCI -forskare dragspänning på samariumhexaboridprovet och demonstrerade i Naturmaterial studera att de skulle kunna stabilisera 2-D-yttillståndet vid minus 27 grader Fahrenheit.

"Tro det eller ej, det är hetare än vissa delar av Kanada, "Xia lurade." Detta arbete är ett stort steg mot att utveckla framtida kvantdatorer vid nästan rumstemperatur. "