新型拓撲超導(dǎo)體優(yōu)化的量子計算機穩(wěn)定性

新型拓撲超導(dǎo)體優(yōu)化的量子計算機穩(wěn)定性

美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員開創(chuàng)了一種尖端的拓撲超導(dǎo)體，可以增強量子計算機的穩(wěn)定性——這是該技術(shù)的主要限制。

該團隊創(chuàng)新了一種新方法，將兩種具有特殊電學(xué)特性的材料——單層超導(dǎo)體和拓撲絕緣體——融合在一起。這種組合提供了一個最佳平臺來研究一種不尋常的超導(dǎo)性，稱為拓撲超導(dǎo)性，這可以為拓撲量子計算機鋪平道路，這種計算機比傳統(tǒng)技術(shù)更穩(wěn)定。

該團隊的研究題為“外延 Bi 2 Se 3 /單層 NbSe 2 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中從 Ising 到 Rashba 型超導(dǎo)的交叉” ，發(fā)表在Nature Materials 上。

開發(fā)拓撲超導(dǎo)體

超導(dǎo)體用于各種技術(shù)，包括強大的磁鐵、數(shù)字電路和成像。它們允許電流無阻力地通過。相比之下，拓撲絕緣體是只有幾個原子厚的薄膜，可以限制電子的運動，從而產(chǎn)生獨特的特性。賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種配對這兩種材料的方法。

賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)副教授、研究團隊負責(zé)人 Cui-Zu Chang 評論說：“量子計算的未來取決于一種我們稱之為拓撲超導(dǎo)體的材料，它可以通過結(jié)合拓撲絕緣體形成。使用超導(dǎo)體，但是將這兩種材料結(jié)合起來的實際過程具有挑戰(zhàn)性。

“在這項研究中，我們使用了一種稱為分子束外延的技術(shù)來合成拓撲絕緣體和超導(dǎo)薄膜，并創(chuàng)建二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這是探索拓撲超導(dǎo)現(xiàn)象的絕佳平臺?！?

先前嘗試合并這兩種材料的結(jié)果很差，因為薄膜中的超導(dǎo)性通常在拓撲絕緣體層在頂部生長后消失。專家們已經(jīng)能夠?qū)⑼負浣^緣體薄膜應(yīng)用到三維“體”超導(dǎo)體上，并保留這兩種材料的特性。然而，拓撲超導(dǎo)體的應(yīng)用，例如智能手機和量子計算機的低功耗芯片，將需要是二維的。

研究人員克服了這些問題，通過在由單層二硒化鈮 (NbSe2) 組成的超導(dǎo)薄膜上堆疊不同厚度的由硒化鉍 (Bi2Se3) 制成的拓撲絕緣體薄膜來創(chuàng)新二維拓撲超導(dǎo)體。該團隊通過在非常低的溫度下合成異質(zhì)結(jié)構(gòu)成功地保留了拓撲和超導(dǎo)特性。

賓夕法尼亞州立大學(xué) Chang 研究組的博士后、論文的第一作者易和眠解釋說：“在超導(dǎo)體中，電子形成‘庫珀對’，可以零電阻流動，但強磁場會破壞這些對。 .

“我們使用的單層超導(dǎo)薄膜以其‘伊辛型超導(dǎo)性’而聞名，這意味著庫珀對對面內(nèi)磁場非常穩(wěn)健。我們還期望在我們的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中形成的拓撲超導(dǎo)相以這種方式是穩(wěn)健的?！?

解決量子計算機穩(wěn)定性問題

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整拓撲層的厚度，異質(zhì)結(jié)構(gòu)從 Ising 型超導(dǎo)（電子自旋垂直于薄膜）轉(zhuǎn)變?yōu)?Rashba 型超導(dǎo)（電子自旋平行于薄膜）。他們還在理論計算和模擬中觀察到這種現(xiàn)象。

這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)可能是探索馬約拉納費米子的理想平臺——這是一種神秘的粒子，有助于開發(fā)比以前版本的技術(shù)更穩(wěn)定的拓撲量子計算機。

Change 總結(jié)道：“這是探索拓撲超導(dǎo)體的絕佳平臺，我們希望在我們的持續(xù)工作中找到拓撲超導(dǎo)性的證據(jù)。一旦我們獲得了拓撲超導(dǎo)性的確鑿證據(jù)并證明了馬約拉納物理學(xué)，那么這種類型的系統(tǒng)就可以適用于量子計算和其他應(yīng)用?！?

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