新型拓?fù)涑瑢?dǎo)體優(yōu)化的量子計(jì)算機(jī)穩(wěn)定性

新型拓?fù)涑瑢?dǎo)體優(yōu)化的量子計(jì)算機(jī)穩(wěn)定性

美國(guó)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?fù)涑瑢?dǎo)體，可以增強(qiáng)量子計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定性——這是該技術(shù)的主要限制。

該團(tuán)隊(duì)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?fù)浣^緣體——融合在一起。這種組合提供了一個(gè)最佳平臺(tái)來(lái)研究一種不尋常的超導(dǎo)性，稱為拓?fù)涑瑢?dǎo)性，這可以為拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)鋪平道路，這種計(jì)算機(jī)比傳統(tǒng)技術(shù)更穩(wěn)定。

該團(tuán)隊(duì)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?fù)涑瑢?dǎo)體

超導(dǎo)體用于各種技術(shù)，包括強(qiáng)大的磁鐵、數(shù)字電路和成像。它們?cè)试S電流無(wú)阻力地通過(guò)。相比之下，拓?fù)浣^緣體是只有幾個(gè)原子厚的薄膜，可以限制電子的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生獨(dú)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(duì)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(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Cui-Zu Chang 評(píng)論說(shuō)：“量子計(jì)算的未來(lái)取決于一種我們稱之為拓?fù)涑瑢?dǎo)體的材料，它可以通過(guò)結(jié)合拓?fù)浣^緣體形成。使用超導(dǎo)體，但是將這兩種材料結(jié)合起來(lái)的實(shí)際過(guò)程具有挑戰(zhàn)性。

“在這項(xiàng)研究中，我們使用了一種稱為分子束外延的技術(shù)來(lái)合成拓?fù)浣^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?fù)涑瑢?dǎo)現(xiàn)象的絕佳平臺(tái)?！?

先前嘗試合并這兩種材料的結(jié)果很差，因?yàn)楸∧ぶ械某瑢?dǎo)性通常在拓?fù)浣^緣體層在頂部生長(zhǎng)后消失。專家們已經(jīng)能夠?qū)⑼負(fù)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?fù)涑瑢?dǎo)體的應(yīng)用，例如智能手機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的低功耗芯片，將需要是二維的。

研究人員克服了這些問(wèn)題，通過(guò)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?fù)浣^緣體薄膜來(lái)創(chuàng)新二維拓?fù)涑瑢?dǎo)體。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)在非常低的溫度下合成異質(zhì)結(jié)構(gòu)成功地保留了拓?fù)浜统瑢?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(shuō)：“在超導(dǎo)體中，電子形成‘庫(kù)珀對(duì)’，可以零電阻流動(dòng)，但強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)破壞這些對(duì)。 .

“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(kù)珀對(duì)對(duì)面內(nèi)磁場(chǎng)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?fù)涑瑢?dǎo)相以這種方式是穩(wěn)健的。”

解決量子計(jì)算機(jī)穩(wěn)定性問(wèn)題

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整拓?fù)鋵拥暮穸龋愘|(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(jì)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(fèi)米子的理想平臺(tái)——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?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)。

Change 總結(jié)道：“這是探索拓?fù)涑瑢?dǎo)體的絕佳平臺(tái)，我們希望在我們的持續(xù)工作中找到拓?fù)涑瑢?dǎo)性的證據(jù)。一旦我們獲得了拓?fù)涑瑢?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(jì)算和其他應(yīng)用。”

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