Forskare vid Tsinghua University och Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences i Peking, har visat förmågan att kontrollera materiens tillstånd, sålunda kontrollera internt motstånd, inom flerskiktade, magnetiskt dopade halvledare med hjälp av den kvantanomala Hall -effekten.

Den kvantanomala Hall-effekten (QAH) förekommer i vissa specialdesignade material där elektroner kan röra sig ett millimeter skalavstånd utan att förlora sin energi. Möjligheten att tillämpa denna effekt på enheter skulle möjliggöra en ny revolution inom energieffektivitet och beräkningshastighet.

I en studie publicerad i tidskriften Kinesiska fysikbokstäver , forskare säger att de har tillverkat ett konstgjort material som kan användas för att utveckla en topologisk kvantdator med hjälp av molekylär stråleepitaxi, en ny teknik som möjliggör stapling av enkelmolekyl tjocka kristallskikt, och genom att utnyttja QAH -effekten.

En kvantdator utnyttjar förmågan hos subatomära partiklar att vara i flera tillstånd samtidigt, istället för den binära en eller noll som ses på konventionella datorer, så att de kan lösa vissa typer av problem mycket mer effektivt. Den topologiska kvantdatorn skulle vara ett steg bortom detta. Istället för fysiska partiklar, de använder en specifik typ av kvasipartikel som kallas anyon för att koda informationen. Alla har visat sig vara mycket motståndskraftiga mot fel i både lagring och behandling av information.

"Vi kan förverkliga QAH -flerskikt, eller en bunt med flera lager kristallgitter som upplever QAH -effekten, med flera magnetiskt dopade filmer åtskilda av isolerande kadmiumselenidlager. Eftersom vi gör det med molekylär stråle -epitaxy, det är lätt att kontrollera egenskaperna för varje lager för att driva provet till olika tillstånd, "säger Ke He, professor vid Tsinghua University. Kadmiumselenid är en molekyl bestående av en kadmiumatom och en selenatom som används som halvledare; ett material vars ledande egenskaper forskare kan modifiera genom att lägga till föroreningar.

Möjligheten att producera flerskikt av tunna kristaller gör det möjligt att lägga in en isolerande film mellan lagren som leder elektricitet, förhindra oönskad interaktion mellan elektronerna mellan arken, på samma sätt som vi försöker undvika att trådar korsas i elektronik. Dessa typer av strukturer är mycket intressanta att studera eftersom de tvingar några av elektronerna till det som kallas ett "kanttillstånd" som, tills nu, var ganska svåra att tillverka. Detta "kanttillstånd" fungerar som en väg för en bråkdel av elektronerna att strömma igenom utan motstånd. Genom att ha många lager staplade ovanpå varandra, effekten förstärks genom att en större bråkdel av elektronerna skjuts in i detta tillstånd.

"Genom att justera tjocklekarna på QAH -skikten och kadmiumselenidisolerande skikt, kan vi driva systemet till en magnetisk Weyl -halvmetall, ett tillstånd av materia som hittills aldrig har visats övertygande i naturligt förekommande material. "

Ett Weyl -halvmetal är ett exotiskt tillstånd av materia som klassificeras som en kristall i fast tillstånd som, observerades först i juli 2015. Den leder elektricitet med hjälp av de masslösa Weyl -fermionerna i stället för elektroner. Denna betydande massskillnad mellan Weyl fermioner och elektroner gör att elektricitet kan flöda genom kretsar mer effektivt, möjliggör snabbare enheter.

"Nu, det som intresserar mig mest är att konstruera oberoende kontrollerbara QAH -skikt. Om vi ​​kunde få ett par motförökande kanttillstånd, medan du lägger en supraledande kontakt på kanten av provet, de två kanttillstånden kan binda ihop på grund av den supraledande kontakten, som leder till Majorana -lägen som kan användas för att bygga en topologisk kvantdator. "

Majorana -lägen anses vara användbara vid kvantfelkorrigeringskod, en egenskap som är unik för topologiska kvantdatorer, och en väsentlig del av informationsteorin som används för att minska naturligt förekommande fel vid dataöverföring och för att motverka effekterna av störningar. Denna process kan också erbjuda möjligheten att bearbeta kvantinformation och lagra den mer effektivt i framtiden.