Kvantpunktskontaktstruktur (vänster) där en pålagd spänning begränsar elektronrörelser till en dimension, med konduktans (höger) som visar effekten av pålagt magnetfält (röd). Kredit:UNSW
Varför är det viktigt att studera spinnegenskaper hos endimensionella kvantnannotrådar?
Kvantnanotrådar – som har längd men ingen bredd eller höjd – ger en unik miljö för bildning och detektering av en kvasipartikel känd som Majorana nollläge.
En ny UNSW-ledd studie övervinner tidigare svårigheter att upptäcka Majorana-nollläget, och producerar en betydande förbättring av enhetens reproducerbarhet.
Potentiella applikationer för Majorana nolllägen inkluderar felresistenta topologiska kvantdatorer, och topologisk supraledning.
Majorana fermioner i 1-D ledningar
En Majorana fermion är en sammansatt partikel som är sin egen antipartikel.
Sådana ovanliga partiklars intresse akademiskt och kommersiellt kommer från deras potentiella användning i en topologisk kvantdator, förutspås vara immun mot den dekoherens som randomiserar den värdefulla kvantinformationen.
Majorana nolllägen kan skapas i kvanttrådar gjorda av speciella material där det finns en stark koppling mellan deras elektriska och magnetiska egenskaper.
Särskilt, Majorana nolllägen kan skapas i endimensionella halvledare (som halvledarnanotrådar) när de kopplas till en supraledare.
I en endimensionell nanotråd, vars dimensioner vinkelrät mot längden är tillräckligt små för att inte tillåta någon rörelse av subatomära partiklar, kvanteffekter dominerar.
Antimateria förklarar:Varje fundamental partikel har en motsvarande antimateria partikel, med samma massa men motsatt elektrisk laddning. Till exempel, en elektrons antipartikel (laddning –1) är en positron (laddning +1). Kredit:UNSW
Ny metod för att detektera nödvändig spin-orbit gap
Endimensionella halvledarsystem med stark spin-omloppsinteraktion väcker stor uppmärksamhet på grund av potentiella tillämpningar inom topologisk kvantberäkning.
Det magnetiska "snurret" hos en elektron är som en liten stångmagnet, vars orientering kan ställas in med ett applicerat magnetfält.
I material med en "spin-omloppsinteraktion" bestäms en elektrons spinn av rörelseriktningen, även vid noll magnetfält. Detta möjliggör all elektrisk manipulation av magnetiska kvantegenskaper.
Att applicera ett magnetfält på ett sådant system kan öppna ett energigap så att framåtgående elektroner alla har samma spinnpolarisation, och bakåtgående elektroner har motsatt polarisation. Detta "snurrgap" är en förutsättning för bildandet av Majorana nolllägen.
Trots intensivt experimentellt arbete, det har visat sig extremt svårt att entydigt upptäcka detta spin-gap i halvledarnanotrådar, eftersom spin-gapets karakteristiska signatur (en dipp i dess konduktansplatå när ett magnetfält appliceras) är mycket svår att skilja från den oundvikliga bakgrundsstörningen i nanotrådar.
Den nya studien hittar en ny, entydig signatur för spin-orbit gapet som är ogenomtränglig för störningseffekterna som plågar tidigare studier.
"Denna signatur kommer att bli de-facto standarden för att upptäcka spin-gaps i framtiden, " säger huvudförfattaren Dr. Karina Hudson.
Majorana fermioner, som är deras egen antipartikel, har teoretiserats sedan 1937, men har bara observerats experimentellt under det senaste decenniet. Majorana-fermionens "immunitet" mot dekoherens ger potentiell användning för feltolerant kvantberäkning. Kredit:UNSW
Reproducerbarhet
Användningen av Majorana nolllägen i en skalbar kvantdator står inför en ytterligare utmaning på grund av den slumpmässiga oordningen och ofullkomligheterna i de självmonterade nanotrådarna som är värd för MZM.
Det har tidigare varit nästan omöjligt att tillverka reproducerbara enheter, med endast cirka 10 % av enheterna som fungerar inom önskade parametrar.
De senaste UNSW-resultaten visar en betydande förbättring, med reproducerbara resultat över sex enheter baserat på tre olika startskivor.
"Detta arbete öppnar en ny väg för att göra helt reproducerbara enheter, " säger motsvarande författare Prof Alex Hamilton UNSW).
"Nya signaturer för spingapet i kvantpunktskontakter" publicerades i Naturkommunikation i januari 2021.