Mycket tunna ledningar gjorda av en topologisk isolator kan möjliggöra mycket stabila qubits, byggstenarna i framtida kvantdatorer. Forskare ser ett nytt resultat i topologiska isolatoranordningar som ett viktigt steg mot att förverkliga teknikens potential.

En internationell grupp forskare har visat att trådar som är mer än 100 gånger tunnare än ett människohår kan fungera som en enkelriktad gata för elektroner när de är gjorda av ett märkligt material som kallas topologisk isolator.

Upptäckten öppnar vägen för nya tekniska tillämpningar av enheter tillverkade av topologiska isolatorer och visar ett betydande steg på vägen mot att uppnå så kallade topologiska qubits, som det har förutspåtts robust kan koda information för en kvantdator.

För att uppnå detta resultat samarbetade grupperna av professor Dr. Jelena Klinovaja och professor Dr. Daniel Loss vid universitetet i Basel nära med experimentella fysiker vid universitetet i Köln i gruppen av professor dr. Yoichi Ando. Deras studie har nu publicerats i Nature Nanotechnology .

Topologiska isolatorer är material där en kombination av kvantmekanik och det matematiska konceptet topologi producerar ledande ytor och isolerande interiörer. Topologiska isolatorer är mycket lovande kandidater för framtida teknologier och som potentiella plattformar för kvantberäkning.

Forskarna kunde visa att elektriska strömmar under rätt omständigheter kan flyta lättare i en riktning jämfört med den andra, en process som kallas likriktning. Rectification erbjuder ett brett utbud av applikationer och utgör grunden för de flesta trådlösa teknologier.

Likriktare som finns i till exempel smartphones är nu gjorda av halvledardioder. Den nuvarande likriktningseffekten som upptäckts i topologiska isolatornanotrådar uppstår dock som ett resultat av kvantmekaniken och är extremt kontrollerbar.

Vanligtvis uppstår kvantlikningseffekter som ett resultat av något som kallas spin-omloppskoppling, vilket är en blandning av kvantmekanik och Einsteins relativitetsteori. Som man kan förvänta sig resulterar den märkliga blandningen normalt i små korrigeringseffekter.

"Det som är bra med de topologiska isolatornanotrådarna är att vi på konstgjord väg kan producera i stort sett samma fysik men med en mycket större magnitud", säger Dr Henry Legg, Georg H. Endress postdoktor vid universitetet i Basel och första författare till artikeln. "Detta leder till en korrigeringseffekt som är riktigt enorm jämfört med andra material. Det är också en av aspekterna som gör topologiska isolatorer så spännande för tillämpningar inom kvantberäkning."

Beyond Ohms lag

Ohms lag säger att strömmen som flyter genom en enhet styrs av spänningsfallet över den och en kvantitet som kallas motstånd. Men när kvantmekaniken är på gång behöver Ohms lag ibland korrigeras.

I synnerhet, om ett material eller en enhet inte ser likadana ut när alla dess rumsliga egenskaper speglas – så kallad bruten rumslig inversionssymmetri – innebär applicering av ett magnetfält att kvantversionen av Ohms lag tillåter ström att flyta lättare i en riktning jämfört med den andra. Storleken på strömlikriktningen bestäms av skillnaden mellan motstånden i varje riktning.

Den höga graden av kontroll som är möjlig i topologiska isolatoranordningar gjorde det möjligt för forskargruppen att uppnå en verkligt gigantisk korrigeringseffekt jämfört med vad som tidigare observerats.

Robust kvantinformation

Kvantdatorer lovar oöverträffad datorkraft, men är mycket känsliga för påverkan från den yttre miljön. En föreslagen lösning på bräckligheten hos kvantenheter av information - så kallade qubits - är topologiska qubits, som det förutspås kommer att vara mycket mer stabila mot påverkan från den yttre miljön. Detta skydd uppstår också som ett resultat av topologins matematik som ligger till grund för egenskaperna hos topologiska isolatorer.

Topologiska isolatorer har länge ansetts vara goda kandidater för att ligga till grund för topologiska kvantdatorer. God kontroll över topologiska isolatoranordningar är dock avgörande för att kunna producera topologiska qubits.

"Vår studie upptäckte inte bara en unik och mycket stor kvanteffekt, utan den visar också att vi har en utmärkt grad av förståelse för vad som händer i dessa system. Det verkar som att alla nyckelegenskaper hos topologiska isolatorer är där för att gå vidare på vägen till att göra topologiska qubits", säger professor Dr Jelena Klinovaja från universitetet i Basel. + Utforska vidare

Första hybridkvantbiten baserad på topologiska isolatorer