新組合材料可支持量子計算超導(dǎo)性
科技日報北京2月8日電 (記者張夢然)美國賓夕法尼亞州立大學研究人員領(lǐng)導(dǎo)的團隊成功創(chuàng)建出一種新材料組合,可提供一個平臺來探索類似于手性馬約拉納粒子的物理行為。這種材料融合體不但具有特殊的電學特性,還擁有超導(dǎo)性所需的所有組件,被認為是未來量子計算中一個極有前途的“選手”。研究成果于8日在線發(fā)表在《科學》雜志上。
當超導(dǎo)體與磁性拓撲絕緣體結(jié)合在一起時,每個組件的新穎電特性共同產(chǎn)生“手性拓撲超導(dǎo)體”。而拓撲結(jié)構(gòu),即物質(zhì)的特殊幾何形狀和對稱性,在超導(dǎo)體中能產(chǎn)生獨特的電現(xiàn)象,可促進拓撲量子計算機的構(gòu)建。
但手性拓撲超導(dǎo)的實現(xiàn)需要3個要素:超導(dǎo)性、鐵磁性和拓撲序性質(zhì)。
團隊運用分子束外延技術(shù),將磁性拓撲絕緣體和鐵硫族化合物(FeTe)堆疊在一起,成功開發(fā)出一個同時具備這3種特性的系統(tǒng)。拓撲絕緣體是鐵磁體,電子以相同方式旋轉(zhuǎn);鐵硫族化合物是一種極有前景的利用超導(dǎo)性的過渡金屬,是一種反鐵磁體,其電子以交替方向旋轉(zhuǎn)。
當研究人員通過各種成像技術(shù)來表征這一組合材料的結(jié)構(gòu)和電性能后,證實在材料之間的界面處,存在手性拓撲超導(dǎo)性的所有3個關(guān)鍵要素。而通常情況下,超導(dǎo)性和鐵磁性是“競爭關(guān)系”,在鐵磁材料系統(tǒng)中很少能找到強大的超導(dǎo)性。
研究人員相信,該系統(tǒng)有助于尋找一種與馬約拉納粒子具有類似行為的材料系統(tǒng)。馬約拉納粒子是1937年首次假設(shè)出的亞原子粒子,能充當自己的反粒子。這種特性可使它們用作量子計算機中的量子比特,而為手性馬約拉納的存在提供實驗證據(jù),將是創(chuàng)建拓撲量子計算機的關(guān)鍵一步。
【總編輯圈點】
為了讓材料具備我們想要的性質(zhì),科研人員必須用各種方法施加變化的“魔法”。這次,他們將磁性拓撲絕緣體和鐵硫族化合物堆疊在一起,讓材料搖身一變,成為手性拓撲超導(dǎo)體系統(tǒng)。這種系統(tǒng),可以成為驗證馬約拉納粒子的平臺。馬約拉納粒子的反粒子就是其自身。這種粒子之間就不會出現(xiàn)“量子退相干”問題,可以成為具有光明前景的量子材料。當然,目前馬約拉納粒子還是猜想,科研人員正在進行探索,從量子物理理論中挖掘出更多改變?nèi)祟惿畹膽?yīng)用。
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