En grupp fysiker i Utrecht, San Sebastián och Pennsylvania har skapat en ny konstgjord molekyl som är isolerande inuti men har elektroniska tillstånd lokaliserade i sina hörn. Dessa tillstånd har noll energi, och av denna anledning, är motståndskraftiga mot defekter i molekylen och kan användas som qubits i kvantdatorer. Resultaten publiceras i Naturmaterial den 23 september.

Prof. Cristiane Morais Smith från Utrecht University förklarar:"Det finns några stora utmaningar i utvecklingen av kvantdatorer. Ett av huvudproblemen är kvantdekoherens:information går förlorad i miljön. Detta gör det svårare att designa elektronik på kvantumet. nivå än på den klassiska nivån. Det är därför vi skapade elektroner som är motståndskraftiga mot kvantdekoherens."

Skapar konstgjorda molekyler

Teoretisk fysiker Sander Kempkes säger, "Normala molekyler som kan hittas i naturen har ofta intressanta egenskaper, men det tar lång tid att hitta en som har exakt de egenskaper du skulle vilja ha. Det är därför vi tog materien i våra egna händer." Forskarna skapade konstgjorda molekyler från botten och upp med endast ett skanningstunnelmikroskop, ett kopparprov och ett gäng kolmonoxidmolekyler, som är placerade en nanometer från varandra.

Forskarna kunde skapa mycket robusta hörnlägen som skyddas av molekylens symmetri. Precis som du inte kan bli av med ett hål i en munk om du inte skär den, dessa hörnlägen kan inte ändras utan att göra drastisk skada på systemet. På grund av det extremt exakta och kontrollerade sättet att skapa molekylen på nanometerskalan, forskarna kunde verifiera motståndskraften mot defekter hos dessa nolllägen lokaliserade i molekylens hörn. Även om dessa lägen inte är redo att användas som kvantbitar ännu, det är ett viktigt steg i riktning mot att skapa dem i konstgjorda system.

Japanskt mönster

Forskarna inspirerades av det så kallade kagome-mönstret, ett kakelmönster som härstammar från Japan och består av trianglar och hexagoner. Det finns några riktiga material som har just den här formen, men inte precis på det sätt som forskarna sökte. Det är därför de teoretiska fysikerna designade en ny kagome-molekyl på datorn, varefter experimentfysiker i Ingmar Swarts och Daniel Vanmaekelberghs labb experimentellt insåg molekylen. Tidigare, de använde samma teknik för att göra elektroniska gitter som relaterar till supermaterial och kvantfraktaler.

Muffinsform

Den experimentella fysikern Marlou Slot säger, "Manipulation av en kolmonoxidmolekyl kan ses som att skjuta en drottning på ett schackbräde på nanometerskalan, använd en nål istället för fingret."

Hela proceduren är som att skapa en omvänd muffinsform med önskad geometri för elektronerna som flyter runt. "Muffinsformen" tvingar elektronerna till en viss form, även om bakningsanalogin inte ska tas alltför bokstavligt, eftersom experimentet äger rum vid -269 grader Celsius.