Объединение материалов может обеспечить уникальную сверхпроводимость для квантовых вычислений

Новый синтез материалов, каждый из которых обладает особыми электрическими свойствами, содержит все компоненты, необходимые для создания уникального типа сверхпроводимости, который может стать основой для более надежных квантовых вычислений. Новая комбинация материалов, созданная командой под руководством исследователей из Пенсильванского университета, также может стать платформой для изучения физического поведения, аналогичного поведению загадочных теоретических частиц, известных как хиральные майораны, которые могут стать еще одним многообещающим компонентом для квантовых вычислений.

Новое исследование появилось в журнале Science. В работе описывается, как исследователи объединили два магнитных материала, что они назвали важным шагом на пути к реализации возникающей межфазной сверхпроводимости, над которой они сейчас работают.

Сверхпроводники — материалы, не обладающие электрическим сопротивлением, — широко используются в цифровых схемах, мощных магнитах в магнитно-резонансной томографии (МРТ), ускорителях частиц и других технологиях, где максимальное увеличение потока электричества имеет решающее значение. Когда сверхпроводники объединяются с материалами, называемыми магнитными топологическими изоляторами — тонкими пленками толщиной всего в несколько атомов, которые стали магнитными и ограничивают движение электронов к своим краям — новые электрические свойства каждого компонента работают вместе, создавая «хиральные топологические сверхпроводники». Топология, или специализированная геометрия и симметрия материи, порождает уникальные электрические явления в сверхпроводнике, которые могут облегчить создание топологических квантовых компьютеров.

Квантовые компьютеры способны выполнять сложные вычисления за долю времени, которое требуется традиционным компьютерам, поскольку, в отличие от традиционных компьютеров, которые хранят данные в виде единицы или нуля, квантовые биты квантовых компьютеров хранят данные одновременно в ряде возможных состояний. Топологические квантовые компьютеры еще больше совершенствуют квантовые вычисления, используя преимущества организации электрических свойств, чтобы сделать компьютеры устойчивыми к декогеренции или потере информации, которая происходит, когда квантовая система не идеально изолирована. 

«Создание киральных топологических сверхпроводников — это важный шаг на пути к топологическим квантовым вычислениям, которые можно масштабировать для широкого использования», — сказал соавтор исследования профессор Цуй-Зу Чанг из Пенсильванского университета. «Киральная топологическая сверхпроводимость требует трех ингредиентов: сверхпроводимости, ферромагнетизма и свойства, называемого топологическим порядком. В этом исследовании мы создали систему, обладающую всеми тремя этими свойствами».

Исследователи использовали метод молекулярно-лучевой эпитаксии, чтобы собрать воедино топологический изолятор, который стал магнитным, и халькогенид железа (FeTe), многообещающий переходный металл для использования сверхпроводимости. Топологический изолятор представляет собой ферромагнетик — тип магнита, электроны которого вращаются одинаково, а FeTe — антиферромагнетик, электроны которого вращаются в переменных направлениях. Исследователи использовали различные методы визуализации и другие методы, чтобы охарактеризовать структуру и электрические свойства полученного комбинированного материала, и подтвердили наличие всех трех критических компонентов киральной топологической сверхпроводимости на границе раздела между материалами.   

Предыдущие работы в этой области были сосредоточены на объединении сверхпроводников и немагнитных топологических изоляторов. По словам исследователей, добавление ферромагнетика было особенно сложной задачей.

«Обычно сверхпроводимость и ферромагнетизм конкурируют друг с другом, поэтому надежную сверхпроводимость редко можно встретить в системе ферромагнитного материала», — сказал соавтор исследования профессор Чао-Син Лю из Пенсильванского университета. «Но сверхпроводимость в этой системе на самом деле очень устойчива к ферромагнетизму. Чтобы устранить сверхпроводимость, понадобится очень сильное магнитное поле».

Исследовательская группа все еще изучает, почему в этой системе сосуществуют сверхпроводимость и ферромагнетизм.

«На самом деле это довольно интересно, потому что у нас есть два магнитных материала, которые не являются сверхпроводящими, но мы соединили их вместе, и граница между этими двумя соединениями создает очень надежную сверхпроводимость», — сказал Чанг. «Халькогенид железа является антиферромагнитным, и мы ожидаем, что его антиферромагнитные свойства ослабляются вокруг границы раздела, что приводит к возникновению сверхпроводимости, но нам нужно больше экспериментов и теоретических работ, чтобы проверить, правда ли это, и прояснить механизм сверхпроводимости».

Исследователи заявили, что, по их мнению, эта система будет полезна в поиске материальных систем, которые демонстрируют поведение, подобное частицам Майораны — теоретическим субатомным частицам, впервые выдвинутым в 1937 году. Частицы Майораны действуют как собственные античастицы, уникальное свойство, которое потенциально может позволить им быть используются в качестве квантовых битов в квантовых компьютерах.

«Предоставление экспериментальных доказательств существования кирального Майорана станет решающим шагом в создании топологического квантового компьютера», — сказал Чанг. «У нашей области было непростое прошлое в попытках найти эти неуловимые частицы, но мы считаем, что это многообещающая платформа для изучения физики Майораны».