Der Nachweis eines chiralen Supraleiters könnte Quantencomputing dem Mainstream näher bringen

Die Physiker der University of Tennessee haben ein wissenschaftliches Team geleitet, das herausgefunden hat, dass Silizium – eine Hauptstütze der bald Billionen-Dollar-Elektronikindustrie – eine neuartige Form der Supraleitung beherbergen kann, die schnell aufkommende Quantentechnologien der industriellen Produktion näher bringen könnte.

Die Ergebnisse werden in berichtet Naturphysik und beinhalten Elektronendiebstahl, Zeitumkehr und ein wenig elektronische Beidhändigkeit.

Paare auf der supraleitenden Tanzfläche

Supraleiter leiten elektrischen Strom ohne Widerstand oder Energieverlust. Ihre Anwendungen reichen von leistungsstarken Elektromagneten für Teilchenbeschleuniger und medizinische MRT-Geräte über ultraempfindliche Magnetsensoren bis hin zu Quantencomputern. Die Supraleitung ist eine spektakuläre Darstellung der Quantenmechanik in Aktion auf makroskopischer Ebene. Es kommt alles auf die Elektronen an.

Elektronen sind negativ geladen und stoßen sich im Vakuum ab. In einem Festkörpermedium – dem Reich der Metalle und Halbleiter – gibt es jedoch ungefähr 1023 andere Elektronen und positive Ionen, die das Bild enorm verkomplizieren. In einem Supraleiter überwinden Leitungselektronen ihre gegenseitige Abstoßung und ziehen sich durch Wechselwirkungen mit den anderen Teilchen an. Diese Wechselwirkung führt dazu, dass sie sich wie Tänzer auf einem Ball paaren und zusammengesetzte Partikel oder „Cooper-Paare“ (so benannt nach dem Nobelpreisträger Leon Cooper) bilden.

Typischerweise kommt der „Klebstoff“, der diese Paarung verursacht, von den Atomschwingungen in einem Metall, aber nur, wenn sich die Elektronen nicht zu stark abstoßen. Der Vorgang ist ungefähr so ​​wie zwei Personen (die Elektronen) auf einer weichen Matratze (dem Medium), die aufeinander zurollen, wenn die Matratze in der Mitte zusammengedrückt wird. Die Gesetze der Quantenmechanik schreiben vor, dass Cooper-Paare (im Gegensatz zu einzelnen Elektronen) alle zu einem einzigen kohärenten Quantenzustand kondensieren können, in dem sie sich im Gleichschritt bewegen. Das Kondensat weist dadurch eine Starrheit auf, die einen Stromfluss ohne Unterbrechung oder Dissipation zulässt; mit anderen Worten: Supraleitung. Dieser Mechanismus führt zu konventionellen (s-Wellen-)Supraleitern wie Aluminium, Zinn oder Blei.

Wenn die Abstoßung zwischen Elektronen jedoch stark ist, paaren sie sich in höheren Drehimpulszuständen, so dass sie sich nicht zu nahe kommen können, was beispielsweise zu einem d-Wellen-Supraleiter führt. Dies ist bei Werkstoffen aus Kupfer und Sauerstoff (Cupraten) der Fall und spielt eine Hauptrolle bei der Naturphysik Forschung und ihr Zukunftspotential.

Elektronen stehlen

In dieser Arbeit replizierten Professor Hanno Weitering und außerordentlicher Professor Steve Johnston und ihre Kollegen in den USA, Spanien und China die Cuprat-ähnliche Physik, indem sie ein Drittel einer Monoschicht aus Zinnatomen auf ein Substrat (Basisschicht) aus Silizium aufwachsen ließen. Stellen Sie es sich als neun Siliziumatome in einer einzigen Schicht vor, mit drei Zinnatomen – die weiter voneinander entfernt platziert sind –, die in einer weiteren Schicht darüber gestapelt sind. Das System ist so konstruiert, dass die Abstoßung zwischen den Zinnelektronen so stark ist, dass sie sich nicht bewegen können und nicht supraleitend werden.

Weitering, Johnston und ihre Kollegen fanden einen cleveren Workaround, indem sie Boratome in die diamantähnliche Kristallstruktur der Siliziumschicht implantierten. Die Boratome stahlen Elektronen aus der Zinnschicht (normalerweise etwa 10 Prozent) in einem Prozess, der den von der Halbleiterindustrie perfektionierten Techniken ähnelt. Dies gab den verbleibenden Zinnelektronen die Freiheit, sich zu bewegen. Die Zinnschicht wurde somit metallisch und sogar supraleitend bei einer kritischen Temperatur, die die von fast allen elementaren Supraleitern übersteigt. Wichtig ist, dass das Phänomen auch mit der Anzahl der Boratome oder gestohlenen Elektronen skaliert wurde, ein Verhalten, das an die Cuprat-Supraleiter erinnert.

Zeitumkehr und Quantencomputing-Anwendungen

Während die auf Elektronendiebstahl basierende Supraleitung an sich interessant ist, fand das Forschungsteam noch faszinierendere Physik, die darauf hindeutet, dass dieses Zinn-Silizium-Material chirale Supraleitung beherbergt. Dieser höchst exotische Materiezustand wird intensiv verfolgt, teilweise wegen seines Potenzials für Quantencomputer.

In chiralen Systemen sind Drehungen im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gleich und doch unterschiedlich – so wie linke und rechte Hände Spiegelbilder voneinander sind, die nicht überlagert werden können. In der Quantenmechanik werden die Eigenschaften einzelner oder gepaarter Elektronen in einer mathematischen Wellenfunktion codiert, die linkshändig, rechtshändig oder „topologisch trivial“ sein kann.

Es stellt sich heraus, dass die supraleitende Wellenfunktion in der Zinnschicht in Teilen der Probe im Uhrzeigersinn und in anderen Teilen im Gegenuhrzeigersinn verläuft. Wenn man die Uhr zurückspulen würde, würde die Wellenfunktion im Uhrzeigersinn zu einer gegen den Uhrzeigersinn und umgekehrt, aber diese beiden Wellenfunktionen sind immer noch unterschiedlich, genau wie die linke Hand und die rechte Hand unterschiedlich sind; Wie ein Physiker sagen würde, ist die Zeitumkehrsymmetrie gebrochen.

Die Zeitumkehr-Symmetriebrechung ist ein Kennzeichen der chiralen Supraleitung. Zum anderen verfügt das System über zwei eindimensionale Leitungskanäle, die wie Eisenbahnschienen entlang des Umfangs des Probenmaterials verlaufen. Diese Kanäle beherbergen exotische partikelähnliche Einheiten, bei denen unter bestimmten Bedingungen das Partikel und sein Antipartikel nicht mehr zu unterscheiden sind. Majorana-Partikel sind topologisch geschützt und unempfindlich gegenüber dem, was in ihrer Umgebung vor sich geht. Sie wurden als Bausteine ​​zukünftiger Quantencomputer ins Auge gefasst, einer sich schnell entwickelnden Technologie, die helfen könnte, Probleme zu lösen, die für klassische Computer zu komplex sind. Die Verwendung von Majorana-Partikeln impliziert einen Schutz vor Dekohärenz, eine entscheidende Voraussetzung für den Erfolg von Quantenberechnungen.

Zusammengenommen sind die Naturphysik Die Ergebnisse legen die Möglichkeit nahe, exotische Eigenschaften in eine leicht skalierbare Materialplattform auf Siliziumbasis zu integrieren. Damit würden futuristische Quantentechnologien der Produktion im industriellen Maßstab näher gebracht.