Vi har redan hittat massor av superledare, men denna nyckfulla illustration visar varför en superledares nyfunna egenskaper kan göra den särskilt användbar. De mest kända supraledarna är spin singlets, finns på ön till vänster. Uran ditellurid, dock, är en sällsynt snurrning, hittat på ön till höger, och finns också på toppen av ett berg som representerar dess ovanligt höga motståndskraft mot magnetfält. Dessa egenskaper kan göra det till ett bra material för att göra qubits, som kan upprätthålla koherens i en kvantdator trots störningar från den omgivande miljön. Upphovsman:Natasha Hanacek/NIST
Ett potentiellt användbart material för att bygga kvantdatorer har upptäckts vid National Institute of Standards and Technology (NIST), vars forskare har hittat en superledare som kan kringgå ett av de främsta hindren som står i vägen för effektiva kvantlogikkretsar.
Nyupptäckta egenskaper i föreningen uran ditellurid, eller UTe 2 , visa att det kan visa sig vara mycket motståndskraftigt mot en av nemeserna för kvantdatorutveckling - svårigheten med att göra en sådan dators minneslagringsomkopplare, kallas qubits, fungera tillräckligt länge för att avsluta en beräkning innan de förlorar det känsliga fysiska förhållandet som gör att de kan fungera som en grupp. Detta förhållande, kallas kvant koherens, är svårt att underhålla på grund av störningar från omvärlden.
Föreningens ovanliga och starka motståndskraft mot magnetfält gör den till en sällsynt fågel bland supraledande (SC) material, som erbjuder tydliga fördelar för qubit -design, främst deras motstånd mot de fel som lätt kan krypa in i kvantberäkning. UTe 2 s exceptionella beteenden kan göra det attraktivt för den framväxande kvantdatorindustrin, enligt forskargruppens Nick Butch.
"Detta är potentiellt kisel i kvantinformationsåldern, "sa Butch, en fysiker vid NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Du kan använda uran ditellurid för att bygga qubits i en effektiv kvantdator."
Forskningsresultat från teamet, som också inkluderar forskare från University of Maryland och Ames Laboratory, visas idag i tidningen Vetenskap . Deras pappersdetaljer UTe 2 är ovanliga egenskaper, som är intressanta utifrån både teknisk tillämpning och grundvetenskap.
En av dessa är det ovanliga sättet elektronerna som leder elektricitet genom UTe 2 partner upp. I koppartråd eller någon annan vanlig ledare, elektroner reser som enskilda partiklar, men i alla SC bildar de vad som kallas Cooper -par. De elektromagnetiska interaktioner som orsakar dessa parningar är ansvariga för materialets supraledning. Förklaringen till denna typ av supraledning heter BCS -teorin efter de tre forskare som avslöjade parningarna (och delade Nobelpriset för att göra det).
Vad som är särskilt viktigt för denna Cooper -parning är en egenskap som alla elektroner har. Känd som quantum "spin, "det får elektroner att bete sig som om de alla har en liten stavmagnet som löper genom dem. I de flesta SC, de parade elektronerna har sina kvantspinn orienterade på ett enda sätt - en elektron pekar uppåt, medan dess partner pekar ner. Denna motsatta parning kallas en spin singlet.
Ett litet antal kända supraledare, fastän, är icke -konformister, och UTe 2 ser ut att vara bland dem. Deras Cooper -par kan ha sina snurr orienterade i en av tre kombinationer, får dem att snurra trillingar. Dessa kombinationer gör att Cooper-pair-snurr kan orienteras parallellt snarare än i opposition. De flesta spin-triplet SCs förutspås också vara "topologiska" SC, med en mycket användbar egenskap där supraledningen skulle inträffa på materialets yta och skulle förbli supraledande även vid yttre störningar.
"Dessa parallella snurrpar kan hjälpa datorn att förbli funktionell, "Butch sa." Det kan inte spontant krascha på grund av kvantfluktuationer. "
Alla kvantdatorer fram till denna punkt har behövt ett sätt att korrigera de fel som smyger sig in från deras omgivning. SC har länge förståtts ha allmänna fördelar som grund för kvantdatorkomponenter, och flera senaste kommersiella framsteg inom kvantdatorutveckling har involverat kretsar tillverkade av superledare. En topologisk SC:s egenskaper - som en kvantdator kan använda - skulle ha den fördelen att den inte behöver kvantfelkorrigering.
"Vi vill ha en topologisk SC eftersom det skulle ge dig felfria qubits. De kan ha mycket lång livstid, "Butch sa." Topologiska SC är en alternativ väg till kvantberäkning eftersom de skulle skydda qubit från miljön. "
Laget snubblade på UTe 2 medan du utforskar uranbaserade magneter, vars elektroniska egenskaper kan ställas in efter önskemål genom att ändra deras kemi, tryck eller magnetfält - en användbar funktion att ha när du vill ha anpassningsbara material. (Ingen av dessa parametrar är baserade på radioaktivitet. Materialet innehåller "utarmat uran, "som bara är något radioaktivt. Qubits gjorda av UTe 2 skulle vara liten, och de kan enkelt skyddas från sin omgivning av resten av datorn.)
Teamet förväntade sig inte att föreningen skulle ha de fastigheter de upptäckte.
"UTe 2 hade först skapats på 1970 -talet, och till och med ganska färska forskningsartiklar beskrev det som anmärkningsvärt, "Butch sa." Vi råkade göra lite UTe 2 medan vi syntetiserade relaterade material, så vi testade det vid lägre temperaturer för att se om något fenomen kanske hade förbises. Vi insåg snabbt att vi hade något väldigt speciellt på händerna. "
NIST -teamet började utforska UTe 2 med specialiserade verktyg vid både NCNR och University of Maryland. De såg att det blev supraledande vid låga temperaturer (under -271,5 grader Celsius, eller 1,6 kelvin). Dess supraledande egenskaper liknade egenskaperna hos sällsynta superledare som också är ferromagnetiska samtidigt-fungerar som permanentmagneter med låg temperatur. Än, nyfiket, UTe 2 är i sig inte ferromagnetisk.
"Det gör UTe 2 helt ny av den anledningen, "Sa Butch.
Det är också mycket motståndskraftigt mot magnetfält. Normalt kommer ett fält att förstöra supraledning, men beroende på i vilken riktning fältet tillämpas, UTe 2 tål fält så höga som 35 tesla. Detta är 3, 500 gånger så stark som en typisk kylskåpsmagnet, och många gånger mer än de flesta lågtemperatur topologiska SC kan tåla.
Medan laget ännu inte har bevisat att UTe 2 är en topologisk SC, Butch säger att detta ovanliga motstånd mot starka magnetfält innebär att det måste vara en snurr-triplett SC, och därför är det troligen också en topologisk SC. Detta motstånd kan också hjälpa forskare att förstå UTes natur 2 och kanske själva superledningen.
"Att utforska det ytterligare kan ge oss inblick i vad som stabiliserar dessa parallell-spin SC, "sa han." Ett stort mål med SC -forskning är att kunna förstå supraledning tillräckligt bra för att vi ska veta var vi ska leta efter oupptäckta SC -material. Just nu kan vi inte göra det. Hur är det med dem? Vi hoppas att detta material kommer att berätta mer. "
Studien publiceras i tidskriften Vetenskap .
