Lange bevor Dr. Jukka Vayrynen Assistenzprofessor am Purdue Department of Physics and Astronomy war, untersuchte er als Postdoc ein theoretisches Modell mit emergenten Teilchen in einer Umgebung aus kondensierter Materie. Als er in Purdue ankam, beabsichtigte er, das Modell zu erweitern, da er erwartete, dass es relativ einfach sein würde.
Er gab die scheinbar einfachen Berechnungen Guangjie Li, einem Doktoranden, mit dem er zusammenarbeitete, aber die Berechnungen führten zu einem unerwarteten Ergebnis. Diese Ergebnisse stellten eine überraschende Hürde dar, die ihre Forschung fast zum Erliegen brachte. Die Hartnäckigkeit des Teams hat diese Hürde genommen und sie in einen möglichen Weg zur Entwicklung von Quantencomputern verwandelt.
Am Aspen Center for Physics in Colorado diskutierte Vayrynen dieses Problem mit einem Kollegen vom Weizmann Institute of Science in Israel, Dr. Yuval Oreg, der half, das Hindernis zu umgehen. Das Team nutzte dieses neue Verständnis seiner Berechnungen, um ein Quantengerät vorzuschlagen, das experimentell getestet werden könnte, um auftauchende Teilchen wie das Fibonacci-Anyon prägnant zu realisieren. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse, „Multichannel topological Kondo effect“, in Briefe zur körperlichen Überprüfung am 10. Februar 2023.
Die Theorie der kondensierten Materie ist ein Gebiet der Physik, das beispielsweise die Eigenschaften elektronischer Quantensysteme mit Anwendungen auf Technologien wie Supraleiter, Transistoren oder Quantencomputer untersucht. Eine der Herausforderungen auf diesem Gebiet ist das Verständnis des quantenmechanischen Verhaltens vieler Elektronen, auch als „Vielteilchenproblem“ bekannt. Es ist ein Problem, weil es nur in sehr begrenzten Fällen theoretisch modelliert werden kann.
Es ist jedoch bekannt, dass selbst in diesen begrenzten Fällen reiche entstehende Phänomene wie kollektive Erregungen oder fraktioniert geladene entstehende „Quasi“-Teilchen auftreten. Diese Phänomene resultieren aus den komplexen Wechselwirkungen zwischen Elektronen und können zur Entwicklung neuer Materialien und Technologien führen.
„In unserer Arbeit schlagen wir ein Quantengerät vor, das einfach genug ist, um in Zukunft theoretisch modelliert und experimentell getestet zu werden, aber auch komplex genug, um nicht-triviale entstehende Teilchen anzuzeigen“, sagt Vayrynen.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene Gerät ein entstehendes Teilchen namens Fibonacci Anyon realisieren kann, das als Baustein eines Quantencomputers verwendet werden kann. Das Gerät ist daher ein vielversprechender Kandidat für die Entwicklung der Quantencomputertechnologie.“
Diese Entdeckung könnte in zukünftigen Quantencomputern so genutzt werden, dass man sie widerstandsfähiger gegen Dekohärenz, auch Rauschen genannt, machen kann.
Laut ihrer Veröffentlichung führte das Team eine physikalisch motivierte N-Kanal-Verallgemeinerung eines topologischen Kondo-Modells ein. Ausgehend vom einfachsten Fall N = 2 vermuten sie einen stabilen intermediären Kopplungsfixpunkt und werten die resultierende Tieftemperatur-Störstellenentropie aus. Die Verunreinigungsentropie zeigt an, dass ein emergentes Fibonacci-Anyon im N = 2-Modell realisiert werden kann.
Laut Li „ist ein Fibonacci-Anyon ein emergentes Teilchen mit der Eigenschaft, dass die Anzahl der Quantenzustände wächst, wenn Sie dem System weitere Teilchen hinzufügen, wie die Fibonacci-Folge, 1, 2, 3, 5, 8 usw. In unserem System ist ein kleines Quantengerät mit Leitungselektronenleitungen verbunden, die das Gerät übermäßig abschirmen und zu einem entstehenden Fibonacci-Anyon führen können.
Das Team liefert auch eine Reihe von Vorhersagen, die in zukünftigen Quantengeräten experimentell getestet werden könnten.
„Wir werten die Verunreinigungsentropie und -leitfähigkeit bei Nulltemperatur aus, um experimentell beobachtbare Signaturen unserer Ergebnisse zu erhalten. In der großen N-Grenze werten wir die vollständige Übergangsfunktion aus, die die temperaturabhängige Leitfähigkeit beschreibt“, sagt Vayrynen.
Diese Forschung ist die erste in einer Reihe, an der das Purdue-Team von Li und Vayrynen arbeiten wird. Sie arbeiteten mit einem leitenden Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Deutschland, Dr. Elio König, zusammen und veröffentlichten eine verwandte Arbeit, „Topologischer symplektischer Kondo-Effekt“ in einem Vordruck arXiv am 20. Oktober 2022.
Mehr Informationen:
Guangjie Li et al, Topologischer Mehrkanal-Kondo-Effekt, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.066302