Kvantdatorer lovar att utföra operationer av stor vikt som antas vara omöjliga för vår teknik idag. Nuvarande datorer behandlar information via transistorer som bär en av två informationsenheter, antingen en 1 eller en 0. Kvantberäkning baseras på kvantmekaniskt beteende hos logikenheten. Varje kvantenhet, eller "qubit, "kan existera i en kvantsuperposition snarare än att ta diskreta värden. De största hindren för kvantberäkning är själva qubiterna - det är en pågående vetenskaplig utmaning att skapa logiska enheter som är tillräckligt robusta för att bära instruktioner utan att påverkas av den omgivande miljön och resulterande fel.

Fysiker har teoretiserat att en ny typ av material, kallas en tredimensionell (3-D) topologisk isolator (TI), kan vara en bra kandidat för att skapa qubits som är motståndskraftiga från dessa fel och skyddade från att förlora sin kvantinformation. Detta material har både en isolerande insida och metalliska topp- och bottenytor som leder elektricitet. Den viktigaste egenskapen för 3D-topologiska isolatorer är att de ledande ytorna förutses skyddas från omgivningens påverkan. Det finns få studier som har testat hur TI beter sig i verkligheten.

En ny studie från University of Utah fann att i själva verket när de isolerande skikten är så tunna som 16 femdubbla atomlager över, de övre och nedre metallytorna börjar påverka varandra och förstör deras metalliska egenskaper. Experimentet visar att de motsatta ytorna börjar påverka varandra vid ett mycket tjockare isolerande interiör än tidigare studier visat, möjligen närmar sig ett sällsynt teoretiskt fenomen där metallytorna också blir isolerande när insidan tunnas ut.

"Topologiska isolatorer kan vara ett viktigt material i framtida kvantberäkning. Våra resultat har avslöjat en ny begränsning i detta system, "sa Vikram Deshpande, biträdande professor i fysik vid University of Utah och motsvarande författare till studien. "Människor som arbetar med topologiska isolatorer måste veta vad deras gränser är. Det visar sig att när du närmar dig den gränsen, när dessa ytor börjar "prata" med varandra, ny fysik dyker upp, vilket också är ganska coolt i sig. "

Den nya studien publicerades den 16 juli, 2019 i tidningen Fysiska granskningsbrev .

Smutsiga smörgåsar byggda av topologiska isolatorer

Tänk dig en inbunden lärobok som en 3D-topologisk isolator, Sa Deshpande. Huvuddelen av boken är sidorna, som är ett isolatorlager - det kan inte leda elektricitet. Hardcoversna själva representerar de metalliska ytorna. Tio år sedan, fysiker upptäckte att dessa ytor kunde leda elektricitet, och ett nytt topologiskt område föddes.

Deshpande och hans team skapade enheter med hjälp av 3D-TI genom att stapla fem få atom tunna lager av olika material i slarviga smörgåsliknande strukturer. Smörgåsens största kärna är den topologiska isolatorn, tillverkad av några femskiktade lager av vismutantimon telluriumselenid (Bi _{2 -x} Sb _x Te _{3 -y} Sey). Denna kärna är inbäddad av några lager av bornitrid, och toppas med två lager grafit, över och under. Grafiten fungerar som metalliska grindar, skapar i huvudsak två transistorer som styr konduktivitet. Förra året ledde Deshpande en studie som visade att detta topologiska recept byggde en enhet som uppförde sig som du skulle förvänta dig - bulkisolatorer som skyddar metallytorna från den omgivande miljön.

I den här studien, de manipulerade 3D-enheterna för att se hur egenskaperna förändrades. Först, de byggde van der Waal heterostrukturer - de slarviga smörgåsarna - och utsatte dem för ett magnetfält. Deshpandes team testade många på hans labb vid University of Utah och första författaren Su Kong Chong, doktorand vid U, reste till National High Magnetic Field Lab i Tallahassee för att utföra samma experiment där med ett av de högsta magnetfälten i landet. I närvaro av magnetfältet, ett rutmönster kom fram från metallytorna, visar de vägar genom vilka elektrisk ström kommer att röra sig på ytan. Schackbrädorna, bestående av kvantiserade konduktiviteter kontra spänningar på de två portarna, är väldefinierade, med rutnätet som skär varandra vid snygga skärningspunkter, så att forskarna kan spåra eventuella snedvridningar på ytan.

De började med isolatorlagret på 100 nanometer tjockt, ungefär en tusendel av diametern på ett människohår, och successivt blev tunnare till 10 nanometer. Mönstret började förvrängas tills isolatörskiktet var 16 nanometer tjockt, när skärningspunkterna började bryta upp, skapa ett gap som indikerade att ytorna inte längre var ledande.

"Väsentligen, vi har gjort något som var metalliskt till något isolerande i det parameterutrymmet. Poängen med detta experiment är att vi kontrollerbart kan förändra interaktionen mellan dessa ytor, "sa Deshpande." Vi börjar med att de är helt oberoende och metalliska, och börja sedan få dem närmare och närmare tills de börjar prata, 'och när de är riktigt nära, de försvinner i huvudsak och blir isolerande. "

Tidigare experiment 2010 och 2012 hade också observerat energiklyftan på metallytorna när isoleringsmaterialet tunnas ut. Men dessa studier drog slutsatsen att energiklyftan uppträdde med mycket tunnare isolerande lager - fem nanometer stora. Denna studie observerade att de metalliska ytegenskaperna bryts ner vid mycket större innertjocklek, upp till 16 nanometer. De andra experimenten använde olika "ytvetenskap" -metoder där de observerade materialen genom ett mikroskop med en mycket vass metallspets för att titta på varje atom individuellt eller studerade dem med mycket energiskt ljus.

"Detta var extremt involverade experiment som är ganska långt borta från den enhetskapande som vi gör, sa Deshpande.

Nästa, Deshpande och teamet kommer att titta närmare på fysiken som skapar den energiklyftan på ytorna. Han förutspår att dessa luckor kan vara positiva eller negativa beroende på materialtjocklek.