Ett internationellt team med forskare från universitetet i Würzburg har lyckats skapa ett speciellt tillstånd av supraledning. Denna upptäckt kan främja utvecklingen av kvantdatorer. Resultaten publiceras i Nature Physics .
Supraledare är material som kan leda elektricitet utan elektriskt motstånd – vilket gör dem till det idealiska basmaterialet för elektroniska komponenter i MRI-maskiner, magnetiska levitationståg och till och med partikelacceleratorer. Konventionella supraledare störs dock lätt av magnetism. En internationell grupp forskare har nu lyckats bygga en hybridenhet bestående av en stabil proximiterad supraledare förstärkt av magnetism och vars funktion kan styras specifikt.
De kombinerade supraledaren med ett speciellt halvledarmaterial känt som en topologisk isolator. "Topologiska isolatorer är material som leder elektricitet på sin yta men inte inuti. Detta beror på deras unika topologiska struktur, d.v.s. elektronernas speciella arrangemang", förklarar professor Charles Gould, fysiker vid Institutet för topologiska isolatorer vid universitetet från Würzburg (JMU). "Det spännande är att vi kan utrusta topologiska isolatorer med magnetiska atomer så att de kan styras av en magnet."
Supraledarna och topologiska isolatorerna kopplades ihop för att bilda en så kallad Josephson-övergång, en förbindelse mellan två supraledare separerade av ett tunt lager av icke-supraledande material. "Detta gjorde det möjligt för oss att kombinera egenskaperna hos supraledning och halvledare", säger Gould.
"Så vi kombinerar fördelarna med en supraledare med styrbarheten hos den topologiska isolatorn. Genom att använda ett externt magnetfält kan vi nu exakt kontrollera de supraledande egenskaperna. Detta är ett verkligt genombrott inom kvantfysiken."
Supraledning möter magnetism
Den speciella kombinationen skapar ett exotiskt tillstånd där supraledning och magnetism kombineras – normalt sett är dessa motsatta fenomen som sällan existerar samtidigt. Detta är känt som det närhetsinducerade tillståndet Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (p-FFLO).
Den nya "supraledaren med styrfunktion" kan vara viktig för praktiska tillämpningar, som utvecklingen av kvantdatorer. Till skillnad från konventionella datorer är kvantdatorer inte baserade på bitar utan på kvantbitar (qubits), som kan anta inte bara två utan flera tillstånd samtidigt.
"Problemet är att kvantbitar för närvarande är väldigt instabila eftersom de är extremt känsliga för yttre påverkan, som elektriska eller magnetiska fält", säger Gould. "Vår upptäckt kan hjälpa till att stabilisera kvantbitar så att de kan användas i kvantdatorer i framtiden."
Mer information: Pankaj Mandal et al, Magnetiskt avstämbar superström i utspädda magnetiska topologiska isolatorbaserade Josephson-övergångar, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02477-1
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Julius-Maximilians-Universität Würzburg
