Elektronen rasen in neuem Material über Quantenautobahnen

Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) der Universität von Chicago haben ein neues Material, MnBi6Te10, entdeckt, das zur Schaffung von Quantenautobahnen verwendet werden kann, auf denen sich Elektronen bewegen können. Diese Elektronendurchgänge sind möglicherweise nützlich, um die internen Komponenten leistungsstarker, energieeffizienter Quantencomputer zu verbinden.

Wenn sich Elektronen durch herkömmliche Metalldrähte bewegen, verlieren sie eine kleine Menge an Energie – als Wärme – und einige ihrer intrinsischen Eigenschaften ändern sich. Daher können diese Drähte nicht verwendet werden, um Teile von Quantencomputern zu verbinden, die Daten in den Quanteneigenschaften von Elektronen kodieren.

In der neuen Arbeit, veröffentlicht in der Zeitschrift Nano-Buchstabenerklärten die Forscher, wie MnBi6Te10 als „magnetischer topologischer Isolator“ fungiert, der Elektronen um seinen Umfang transportiert und dabei die Energie- und Quanteneigenschaften der Elektronen beibehält.

„Wir haben ein Material entdeckt, das das Potenzial hat, die Quantenautobahn für Elektronen zu öffnen, damit sie ohne Dissipation fließen können“, sagte Asst. Prof. Shuolong Yang, der die Forschung leitete. „Dies ist ein wichtiger Meilenstein für die Entwicklung topologischer Quantencomputer.“

Quantenverbindungen

Quantencomputer speichern Daten in Qubits, einer grundlegenden Informationseinheit, die Quanteneigenschaften einschließlich Superposition aufweist. Gleichzeitig arbeiten Forscher an der Entwicklung von Geräten, die solche Qubits verbinden – manchmal in Form von einzelnen Elektronen –, aber sie brauchen auch neue Materialien, die die in diesen Qubits gespeicherten Informationen übertragen können.

Theoretische Physiker haben vorgeschlagen, dass Elektronen zwischen topologischen Qubits übertragen werden könnten, indem die Elektronen gezwungen werden, in einem eindimensionalen Leitungskanal am Rand eines Materials zu fließen. Frühere Versuche dazu erforderten extrem niedrige Temperaturen, die für die meisten Anwendungen nicht durchführbar waren.

„Der Grund, warum wir uns entschieden haben, uns mit diesem speziellen Material zu befassen, ist, dass wir dachten, es würde bei einer viel realistischeren Temperatur funktionieren“, sagte Yang.

Yangs Gruppe begann mit der Untersuchung von MnBi6Te10 und verwendete Mangan, um Magnetisierung in den aus Wismut und Tellur gebildeten Halbleiter einzuführen. Während Elektronen zufällig durch das Innere der meisten Halbleiter fließen, zwingt das Magnetfeld in MnBi6Te10 alle Elektronen in eine einreihige Linie auf der Außenseite des Materials.

Die PME-Forscher erhielten MnBi6Te10, das von Mitarbeitern des 2D Crystal Consortium an der Pennsylvania State University unter der Leitung von Zhiqiang Mao hergestellt worden war. Anschließend verwendete das Team eine Kombination aus zwei Ansätzen – winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) – um genau zu untersuchen, wie sich die Elektronen in MnBi6Te10 verhalten und wie sich die Bewegung der Elektronen mit magnetischen Zuständen verändert. Die TEM-Experimente wurden in Zusammenarbeit mit dem Labor der Pennsylvania State University von Nasim Alem durchgeführt.

Gewünschte Mängel

Als sie die Eigenschaften von MnBi6Te10 untersuchten, verblüffte das Forscherteam zunächst etwas: Einige Stücke des Materials schienen gut als magnetische topologische Isolatoren zu funktionieren, während andere Stücke dies nicht taten.

„Einige von ihnen hatten die gewünschten elektronischen Eigenschaften und andere nicht, und das Interessante war, dass es sehr schwer war, den Unterschied in ihren Strukturen zu erkennen“, sagte Yang. „Wir haben dasselbe gesehen, als wir Strukturmessungen wie Röntgenbeugung durchgeführt haben, also war es ein bisschen mysteriös.“

Durch ihre TEM-Experimente zeigten sie jedoch, dass alle funktionierenden MnBi6Te10-Stücke etwas gemeinsam hatten: Defekte in Form von fehlendem Mangan, das über das gesamte Material verstreut war. Weitere Experimente zeigten, dass diese Defekte tatsächlich erforderlich waren, um den magnetischen Zustand anzutreiben und den Elektronenfluss zu ermöglichen.

„Ein sehr hoher Wert dieser Arbeit besteht darin, dass wir zum ersten Mal herausgefunden haben, wie wir diese Defekte abstimmen können, um Quanteneigenschaften zu ermöglichen“, sagte Yang.

Die Forscher verfolgen nun neue Methoden zum Züchten von MnBi6Te10-Kristallen im Labor und untersuchen, was mit ultradünnen, zweidimensionalen Versionen des Materials passiert.