Forscher untersuchen Feinheiten in Supraleitern in der Hoffnung, die Entwicklung von Quantencomputern zu unterstützen

Ryan Day studiert Supraleiter. Materialien, die Strom perfekt leiten und keine Energie durch Hitze und Widerstand verlieren. Insbesondere untersucht ein Wissenschaftler der University of California, Berkeley, wie Supraleiter mit ihren Gegensätzen koexistieren können; Isoliermaterialien, die den Elektronenfluss stoppen.

Die Materialien, die diese beiden gegensätzlichen Zustände vereinen, die als topologische Supraleiter bezeichnet werden, sind verständlicherweise seltsam, schwer zu charakterisieren und zu entwickeln, aber wenn man sie richtig entwerfen könnte, könnten sie eine wichtige Rolle im Quantencomputer spielen.

„Jeder Computer ist fehleranfällig, und das ist nicht anders, wenn Sie zum Quantencomputing wechseln – es wird nur viel schwieriger zu verwalten. Topologisches Quantencomputing ist eine der Plattformen, von denen angenommen wird, dass sie viele der häufigsten Quellen von Fehlern umgehen können Fehler“, sagt Day, „aber topologisches Quantencomputing erfordert, dass wir ein Teilchen herstellen, das noch nie zuvor in der Natur gesehen wurde.“

Day kam an die Canadian Light Source an der University of Saskatchewan, um die QMSC-Beamline zu nutzen, eine Einrichtung, die gebaut wurde, um genau diese Art von Fragen in Quantenmaterialien zu untersuchen. Die Fähigkeiten wurden unter der Leitung von Andrea Damascelli, wissenschaftlicher Direktor des Stewart Blusson Quantum Matter Institute an der UBC, entwickelt, bei dem Day zum Zeitpunkt dieser Forschung Doktorand war.

„QMSC wurde entwickelt, um eine sehr feine Kontrolle über einen sehr breiten Energiebereich zu haben, sodass man wirklich außergewöhnlich genaue Informationen über die Elektronen erhalten kann, während sie sich in alle möglichen Richtungen bewegen“, sagte Day.

Sein Experiment, das bei Temperaturen um 20 Grad über dem absoluten Nullpunkt durchgeführt wurde, zielte darauf ab, widersprüchliche Ergebnisse in der bestehenden Forschung zu Supraleitern mit topologischen Zuständen zu lösen.

„Die Experimente, die vor unseren durchgeführt wurden, waren wirklich gut, aber es gab einige Widersprüche in der Literatur, die besser verstanden werden mussten“, erklärte er. Die relative Neuheit des Feldes, kombiniert mit den ungewöhnlichen Eigenschaften, die Materialien in den für diese Forschung verwendeten Energiebereichen aufweisen, machte es schwierig, zu entwirren, was mit den topologischen Zuständen vor sich ging.

In seinen Experimenten beobachtete Day, dass die topologischen Zustände in eine große Anzahl anderer elektronischer Zustände eingebettet waren, die Lithium-Eisenarsenid – das supraleitende Material, das er untersucht – daran hinderten, topologische Supraleitfähigkeit zu zeigen. Basierend auf seinen Messungen am CLS hat er vorgeschlagen, dieses Problem zu umgehen, indem man das Material einfach dehnt.

Die Ergebnisse dieser Arbeit, veröffentlicht in Körperliche Überprüfung B, liefern weitere Beweise dafür, dass Lithiumeisenarsenid topologische Zustände auf seiner Oberfläche unterstützt, was der Schlüssel für die potenzielle Verwendung des Materials in Quantencomputern ist. Es zeigt auch potenzielle Herausforderungen für technische Materialien für diese Anwendungen auf, ein Bereich für zukünftige Forschung.

„Durch diese Experimente können wir dieses Material viel besser verstehen und beginnen darüber nachzudenken, wie wir es tatsächlich nutzen können, und dann baut hoffentlich jemand einen Quantencomputer damit und alle gewinnen.“