Sedan jag fick ett bidrag på 25 miljoner dollar 2019 för att bli det första National Science Foundation (NSF) Quantum Foundry, UC Santa Barbara-forskare anslutna till gjuteriet har arbetat med att utveckla material som kan möjliggöra kvantinformationsbaserad teknik för sådana applikationer som kvantberäkning, kommunikation, avkänning, och simulering.

De kan ha gjort det.

I ett nytt papper, publicerad i tidningen Naturmaterial , gjuteri-direktör och UCSB-materialprofessor Stephen Wilson och flera medförfattare, inklusive viktiga samarbetspartners vid Princeton University, studera ett nytt material som utvecklats i kvantgjuteriet som en kandidat superledare - ett material där elektriskt motstånd försvinner och magnetfält utvisas - som kan vara användbart i framtida kvantberäkning.

Ett tidigare papper publicerat av Wilsons grupp i tidskriften Fysiska granskningsbrev och presenteras i Fysik tidningen beskrev ett nytt material, cesiumvanadiumantimonid (CsV ₃ Sb ₅ ), som uppvisar en överraskande blandning av egenskaper som innefattar en självorganiserad laddningsmönster sammanflätad med ett supraledande tillstånd. Upptäckten gjordes av Elings postdoktor Brenden R. Ortiz. Som det visar sig, Wilson sa, dessa egenskaper delas av ett antal relaterade material, inklusive RbV ₃ Sb ₅ och KV ₃ Sb ₅ , den senare (en blandning av kalium, vanadin och antimon) som är föremål för denna senaste tidning, med titeln "Upptäckt av okonventionell kiral laddningsorder i kagome superledare KV ₃ Sb ₅ . "

Material i denna grupp av föreningar, Wilson noterade, "förutspås vara värd för intressant laddningsdensitetsvågfysik [det vill säga deras elektroner organiserar sig själv i ett ojämnt mönster över metallställena i föreningen]. Den säregna karaktären hos denna självorganiserade elektronmönster är i fokus för det aktuella arbetet. "

Detta förutsagda laddningstäthetsvågtillstånd och annan exotisk fysik härrör från nätverket av vanadin (V) joner inuti dessa material, som bildar ett hörndelningsnätverk av trianglar som kallas ett kagomegitter. KV ₃ Sb ₅ upptäcktes vara en sällsynt metall byggd av kagome gitterplan, en som också supraleder. Några av materialets andra egenskaper fick forskare att spekulera i att laddningar i det kan bilda små strömslingor som skapar lokala magnetfält.

Materialforskare och fysiker har länge förutspått att ett material skulle kunna tillverkas som skulle uppvisa en typ av laddningsdensitetsvågordning som bryter det som kallas tidsomvändningssymmetri. "Det betyder att den har ett magnetiskt ögonblick, eller ett fält, associerad med det, "Sa Wilson." Du kan tänka dig att det finns vissa mönster på kagomegitteret där laddningen rör sig i en liten slinga. Den slingan är som en strömslinga, och det kommer att ge dig ett magnetfält. En sådan stat skulle vara ett nytt elektroniskt tillstånd av materia och skulle få viktiga konsekvenser för den underliggande okonventionella supraledningen. "

Rollen för Wilsons grupp var att göra materialet och karakterisera dess bulkegenskaper. Princeton-teamet använde sedan högupplöst skanningstunnelmikroskopi (STM) för att identifiera vad de tror är signaturer från ett sådant tillstånd, som, Wilson sa, "antas också finnas i andra avvikande supraledare, såsom de som supraleder vid hög temperatur, även om det inte har visats definitivt. "

STM fungerar genom att skanna en mycket vass metalltrådspets över en yta. Genom att föra spetsen extremt nära ytan och applicera en elektrisk spänning på spetsen eller provet, ytan kan avbildas ner till skalan för upplösning av enskilda atomer och där elektronerna grupperas. I tidningen beskriver forskarna att se och analysera ett ordningsmönster i den elektroniska laddningen, som ändras när ett magnetfält appliceras. Denna koppling till ett externt magnetfält föreslår ett laddningstäthetsvågtillstånd som skapar sitt eget magnetfält.

Detta är exakt den typ av arbete som kvantgjuteriet grundades för. "Gjuteriets bidrag är viktigt, "Sa Wilson." Det har spelat en ledande roll när det gäller att utveckla dessa material, och gjuteriforskare upptäckte supraledning i dem och hittade sedan signaturer som indikerar att de kan ha en laddningsdensitetsvåg. Nu, materialet studeras över hela världen, eftersom de har olika aspekter som är av intresse för många olika samhällen.

"De är av intresse, till exempel, till människor i kvantinformation som potentiella topologiska superledare, "fortsatte han." De är av intresse för människor som studerar ny fysik i topologiska metaller, eftersom de potentiellt är värd för intressanta korrelationseffekter, definieras som elektronernas interaktion med varandra, och det är potentiellt det som ger upphov till detta laddningstäthetsvågtillstånd. Och de är av intresse för människor som strävar efter högtemperatur supraledning, eftersom de har element som verkar koppla dem till några av funktionerna som ses i dessa material, även om KV ₃ Sb ₅ superledningar vid en ganska låg temperatur. "

Om KV ₃ Sb ₅ visar sig vara vad det misstänks vara, den kan användas för att göra en topologisk qubit användbar i kvantinformationsapplikationer. Till exempel, Wilson sa, "När man gör en topologisk dator, man vill göra qubits vars prestanda förbättras av symmetrierna i materialet, vilket betyder att de inte tenderar att decohere [dekoherens av flyktiga intrasslade kvanttillstånd som är ett stort hinder för kvantberäkning] och därför har ett minskat behov av konventionell felkorrigering.

"Det finns bara vissa typer av tillstånd du kan hitta som kan fungera som en topologisk qubit, och en topologisk superledare förväntas vara värd för en, "tillade han." Sådana material är sällsynta. Detta system kan vara av intresse för det, men det är långt ifrån bekräftat, och det är svårt att bekräfta om det är det eller inte. Det finns mycket kvar att göra för att förstå denna nya klass av superledare. "