Ett team av teoretiska och experimentella fysiker har designat ett nytt ultratunt material som de har använt för att skapa svårfångade kvanttillstånd. Kallas endimensionella Majorana nollenergilägen, dessa kvanttillstånd kan ha en enorm inverkan på kvantberäkningar.

Kärnan i en kvantdator är en qubit, som används för att göra höghastighetsberäkningar. Qubits som Google, till exempel, i sin Sycamore-processor som presenterades förra året, och andra som för närvarande använder är mycket känsliga för brus och störningar från datorns omgivning, vilket introducerar fel i beräkningarna. En ny typ av qubit, kallas en topologisk qubit, skulle kunna lösa detta problem, och 1D Majorana nollenergilägen kan vara nyckeln till att göra dem. "En topologisk kvantdator är baserad på topologiska kvantbitar, som ska vara mycket mer brustoleranta än andra qubits. Dock, topologiska qubits har inte producerats i labbet ännu, " förklarar professor Peter Liljeroth, huvudforskaren i projektet.

Vad är MZM?

MZM är grupper av elektroner som är bundna tillsammans på ett specifikt sätt så att de beter sig som en partikel som kallas Majorana fermion, en halvmytisk partikel som först föreslogs av den halvmytiska fysikern Ettore Majorana på 1930-talet. Om Majoranas teoretiska partiklar kunde bindas samman, de skulle fungera som en topologisk qubit. En hake:inga bevis för deras existens har någonsin setts, antingen i labbet eller i astronomi. Istället för att försöka göra en partikel som ingen någonsin har sett någonstans i universum, forskare försöker istället få vanliga elektroner att bete sig som dem.

För att göra MZM, forskare behöver otroligt små material, ett område som professor Liljeroths grupp vid Aalto-universitetet är specialiserade på. MZM bildas genom att ge en grupp elektroner en mycket specifik mängd energi, och sedan fånga ihop dem så att de inte kan fly. För att uppnå detta, materialen måste vara 2-dimensionella, och så tunn som fysiskt möjligt. För att skapa 1D MZM, teamet behövde göra en helt ny typ av 2D-material:en topologisk supraledare.

Topologisk supraledning är den egenskap som uppstår vid gränsen mellan en magnetisk elektrisk isolator och en supraledare. För att skapa 1D MZM, Professor Liljeroths team behövde kunna fånga ihop elektroner i en topologisk supraledare, men det är inte så enkelt som att fästa vilken magnet som helst på vilken supraledare som helst.

"Om du lägger de flesta magneter ovanpå en supraledare, du hindrar det från att vara en supraledare, " förklarar Dr. Shawulienu Kezilebieke, studiens första författare. "Interaktionerna mellan materialen stör deras egenskaper, men för att göra MZMs, du behöver materialen för att interagera lite. Tricket är att använda 2D-material:de interagerar med varandra precis tillräckligt för att göra de egenskaper du behöver för MZM, men inte så mycket att de stör varandra."

Egenskapen i fråga är snurran. I ett magnetiskt material, snurran är justerad i samma riktning, medan i en supraledare är spinnet antiinriktat med alternerande riktningar. Att föra samman en magnet och en supraledare förstör vanligtvis inriktningen och antiinriktningen av spinnen. Dock, i 2-D skiktade material är interaktionerna mellan materialen precis tillräckligt för att "luta" atomernas spinn tillräckligt för att de skapar det specifika spinntillståndet, kallad Rashba spin-omloppskoppling, behövs för att göra MZM.

Hitta MZMs

Den topologiska supraledaren i denna studie är gjord av ett lager av krombromid, ett material som fortfarande är magnetiskt när det bara är en atoms tjockt. Professor Liljeroths team odlade en atom tjocka öar av krombromid ovanpå en supraledande kristall av niobiumdiselenid, och mätte deras elektriska egenskaper med hjälp av ett sveptunnelmikroskop. Vid denna tidpunkt, de vände sig till expertis inom datormodellering av professor Adam Foster vid Aalto-universitetet och professor Teemu Ojanen, nu vid Tammerfors universitet, att förstå vad de hade gjort.

"Det behövdes mycket simuleringsarbete för att bevisa att signalen vi ser orsakades av MZM, och inte andra effekter, " säger professor Foster. "Vi behövde visa att alla delar passade ihop för att bevisa att vi hade producerat MZMs."

Nu är teamet säkra på att de kan göra 1D MZMs i 2-dimensionella material, nästa steg blir att försöka göra dem till topologiska qubits. Detta steg har hittills undgått team som redan har gjort 0-dimensionella MZM, och Aalto-teamet är ovilliga att spekulera i om processen kommer att bli lättare med 1-dimensionella MZM, men de är optimistiska om framtiden för 1D MZM.

"Den coola delen av detta papper är att vi har gjort MZMs i 2D-material, ", sa professor Liljeroth "I princip är dessa lättare att tillverka och lättare att anpassa egenskaperna hos, och i slutändan bli en användbar enhet."

Pappret, Topologisk supraledning i en van der Waals heterostruktur, publicerades 17 december i Natur .