Rice University fysiker har upptäckt ett fasförändrande kvantmaterial - och en metod för att hitta mer liknande det - som potentiellt kan användas för att skapa flashliknande minne som kan lagra kvantbitar av information, eller qubits, även när en kvantdator är strömsatt ner.
Fasskiftande material har använts i kommersiellt tillgängligt icke-flyktigt digitalt minne. I omskrivbara DVD-skivor, till exempel, används en laser för att värma upp små bitar av material som svalnar för att bilda antingen kristaller eller amorfa klumpar. Två faser av materialet, som har mycket olika optiska egenskaper, används för att lagra ettor och nollor i digitala informationsbitar.
I en studie med öppen tillgång som nyligen publicerades i Nature Communications Risfysikern Ming Yi och mer än tre dussin medförfattare från ett dussin institutioner visade på liknande sätt att de kunde använda värme för att växla en kristall av järn, germanium och tellur mellan två elektroniska faser. I var och en av dessa producerar den begränsade rörelsen av elektroner topologiskt skyddade kvanttillstånd. I slutändan kan lagring av qubits i topologiskt skyddade tillstånd potentiellt minska dekoherensrelaterade fel som har plågat kvantberäkningar.
"Detta kom helt som en överraskning," sa Yi om upptäckten. "Vi var först intresserade av det här materialet på grund av dess magnetiska egenskaper. Men sedan skulle vi göra en mätning och se den här ena fasen, och sedan för en annan mätning skulle vi se den andra. Nominellt var det samma material, men resultaten var mycket annorlunda."
Det tog mer än två år och ett samarbete med dussintals kollegor för att dechiffrera vad som hände i experimenten. Forskarna fann att några av kristallproverna hade svalnat snabbare än andra när de värmdes upp före experimenten.
Till skillnad från materialen som används i de flesta fasförändrande minnesteknologier fann Yi och kollegor att järn-germanium-tellurlegeringen inte behövde smältas och omkristalliseras för att ändra faser. Snarare fann de att tomma atomplatser i kristallens gitter, kända som vakanser, var ordnade i olika ordnade mönster beroende på hur snabbt kristallen kyldes. För att byta från den ena mönstrade fasen till den andra visade de att de helt enkelt kunde värma upp kristallen och kyla den under antingen längre eller kortare tid.
"Om du vill ändra vakansordningen i ett material, händer det vanligtvis vid mycket lägre temperaturer än vad du behöver för att smälta allt", sa Yi.
Hon sa att få studier har undersökt hur de topologiska egenskaperna hos kvantmaterial förändras som svar på förändringar i vakansordningen.
"Det är den viktigaste upptäckten," sa hon om materialets växlingsbara lediga tjänsteorder. "Idén med att använda vakansorder för att styra topologi är det viktiga. Det har bara inte riktigt utforskats. Människor har i allmänhet bara tittat på material från ett helt stökiometriskt perspektiv, vilket betyder att allt är upptaget av en fast uppsättning symmetrier som leder till en typ av elektronisk topologi Förändringar i vakansordning förändrar gittersymmetrin. Detta arbete visar hur det kan förändra den elektroniska topologin>
Den risteoretiske fysikern Qimiao Si, en medförfattare till studien, sa:"Jag tycker att det är fantastiskt att mina experimentella kollegor kan ordna en förändring av kristallin symmetri i farten. Det möjliggör en helt oväntad och ändå fullt välkomnande växlingskapacitet för teori som vi försöker designa och kontrollera nya former av topologi genom samarbetet mellan starka korrelationer och rymdgruppssymmetri."
Studiens huvudförfattare är Han Wu och Lei Chen, båda från Rice. Ytterligare Rice-medförfattare inkluderar Jianwei Huang, Xiaokun Teng, Yucheng Guo, Mason Klemm, Chuqiao Shi, Chandan Setty, Yaofeng Xie, Bin Gao, Junichiro Kono, Pengcheng Dai, Yimo Han och Si. Yi, Dai, Han, Kono och Si är alla medlemmar i Rice Quantum Initiative och Rice Center for Quantum Materials.
Studien var medförfattare av forskare från University of Washington, Los Alamos National Laboratory, Sydkoreas Kyung Hee University, University of Pennsylvania, Yale University, University of California Davis, Cornell University, University of California Berkeley, Stanford Linear Accelerator Center National Accelerator Laboratory, Brookhaven National Laboratory och Lawrence Berkeley National Laboratory.
Mer information: Han Wu et al., Reversibel icke-flyktig elektronisk omkoppling i en nära rumstemperatur van der Waals ferromagnet, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46862-z
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Rice University
