En ny sammansmältning av material, vart och ett med speciella elektriska egenskaper, har alla komponenter som krävs för en unik typ av supraledning som skulle kunna utgöra grunden för mer robust kvantberäkning. Den nya kombinationen av material, skapad av ett team ledd av forskare vid Penn State, kan också ge en plattform för att utforska fysiska beteenden som liknar de mystiska, teoretiska partiklar som kallas chiral Majoranas, vilket kan vara en annan lovande komponent för kvantberäkning.
Den nya studien visas i tidskriften Science . Arbetet beskriver hur forskarna kombinerade de två magnetiska materialen i vad de kallade ett kritiskt steg mot att förverkliga den framväxande gränsytsupraledning som de för närvarande arbetar mot.
Supraledare – material utan elektriskt motstånd – används i stor utsträckning i digitala kretsar, de kraftfulla magneterna i magnetisk resonanstomografi (MRI) och partikelacceleratorer och annan teknik där maximering av elflödet är avgörande.
När supraledare kombineras med material som kallas magnetiska topologiska isolatorer - tunna filmer som bara är några få atomer tjocka som har gjorts magnetiska och begränsar elektronernas rörelse till deras kanter - samverkar de nya elektriska egenskaperna hos varje komponent för att producera "kirala topologiska supraledare".
Topologin, eller specialiserade geometrier och symmetrier hos materia, genererar unika elektriska fenomen i supraledaren, vilket skulle kunna underlätta konstruktionen av topologiska kvantdatorer.
Kvantdatorer har potential att utföra komplexa beräkningar på en bråkdel av den tid det tar traditionella datorer eftersom, till skillnad från traditionella datorer som lagrar data som en etta eller en nolla, lagrar kvantdatorernas kvantbitar data samtidigt i en rad möjliga tillstånd.
Topologiska kvantdatorer förbättrar kvantdatorerna ytterligare genom att dra fördel av hur elektriska egenskaper är organiserade för att göra datorerna robusta mot dekoherens, eller förlusten av information som händer när ett kvantsystem inte är perfekt isolerat.
"Att skapa kirala topologiska supraledare är ett viktigt steg mot topologisk kvantberäkning som skulle kunna skalas upp för bred användning", säger Cui-Zu Chang, Henry W. Knerrs tidig karriärprofessor och docent i fysik vid Penn State och medförfattare till tidningen.
"Kiral topologisk supraledning kräver tre ingredienser:supraledning, ferromagnetism och en egenskap som kallas topologisk ordning. I den här studien tog vi fram ett system med alla dessa tre egenskaper."
Forskarna använde en teknik som kallas molekylär strålepitaxi för att stapla ihop en topologisk isolator som har gjorts magnetisk och en järnkalkogenid (FeTe), en lovande övergångsmetall för att utnyttja supraledning. Den topologiska isolatorn är en ferromagnet – en typ av magnet vars elektroner snurrar på samma sätt – medan FeTe är en antiferromagnet, vars elektroner snurrar i alternerande riktningar.
Forskarna använde en mängd olika avbildningstekniker och andra metoder för att karakterisera strukturen och de elektriska egenskaperna hos det resulterande kombinerade materialet och bekräftade närvaron av alla tre kritiska komponenterna i kiral topologisk supraledning vid gränssnittet mellan materialen.
Tidigare arbete inom området har fokuserat på att kombinera supraledare och omagnetiska topologiska isolatorer. Enligt forskarna har det varit särskilt utmanande att lägga till ferromagneten.
"Normalt konkurrerar supraledning och ferromagnetism med varandra, så det är sällsynt att hitta robust supraledning i ett ferromagnetiskt materialsystem", säger Chao-Xing Liu, professor i fysik vid Penn State och medförfattare till artikeln.
"Men supraledningsförmågan i det här systemet är faktiskt mycket robust mot ferromagnetismen. Du skulle behöva ett mycket starkt magnetfält för att ta bort supraledningsförmågan."
Forskargruppen undersöker fortfarande varför supraledning och ferromagnetism samexisterar i detta system.
"Det är faktiskt ganska intressant eftersom vi har två magnetiska material som inte är supraledande, men vi sätter ihop dem och gränssnittet mellan dessa två föreningar producerar mycket robust supraledning," sa Chang.
"Järnkalkogenid är antiferromagnetisk, och vi förväntar oss att dess antiferromagnetiska egenskaper försvagas runt gränssnittet för att ge upphov till den framväxande supraledningsförmågan, men vi behöver fler experiment och teoretiskt arbete för att verifiera om detta är sant och för att klargöra den supraledande mekanismen."
Forskarna sa att de tror att detta system kommer att vara användbart i sökandet efter materialsystem som uppvisar liknande beteenden som Majorana-partiklar – teoretiska subatomära partiklar som först antogs 1937. Majorana-partiklar fungerar som sin egen antipartikel, en unik egenskap som potentiellt kan tillåta dem att vara används som kvantbitar i kvantdatorer.
"Att tillhandahålla experimentella bevis för existensen av chiral Majorana kommer att vara ett kritiskt steg i skapandet av en topologisk kvantdator," sa Chang. "Vårt område har haft ett stenigt förflutet när det gäller att hitta dessa svårfångade partiklar, men vi tror att detta är en lovande plattform för att utforska Majoranas fysik."
Mer information: Hemian Yi et al, Interface-induced superconductivity in magnetic topological isolators, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk1270. www.science.org/doi/10.1126/science.adk1270
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Pennsylvania State University
