Neue Hybridstrukturen könnten den Weg zu stabileren Quantencomputern ebnen

Eine neue Möglichkeit, zwei Materialien mit speziellen elektrischen Eigenschaften zu kombinieren – einen Monoschicht-Supraleiter und einen topologischen Isolator – bietet die bisher beste Plattform, um eine ungewöhnliche Form der Supraleitung zu erforschen, die als topologische Supraleitung bezeichnet wird. Die Kombination könnte die Grundlage für topologische Quantencomputer liefern, die stabiler sind als ihre traditionellen Pendants.

Supraleiter – die in leistungsstarken Magneten, digitalen Schaltkreisen und bildgebenden Geräten verwendet werden – lassen den elektrischen Strom ohne Widerstand passieren, während topologische Isolatoren dünne Filme sind, die nur wenige Atome dick sind und die Bewegung von Elektronen an ihren Rändern einschränken, was zu einzigartigen Eigenschaften führen kann . Ein Team unter der Leitung von Forschern der Penn State beschreibt in einem Artikel, der am 27. Oktober in der Zeitschrift erscheint, wie sie die beiden Materialien gepaart haben Naturmaterialien.

„Die Zukunft des Quantencomputers hängt von einer Art Material ab, das wir topologischen Supraleiter nennen, das durch die Kombination eines topologischen Isolators mit einem Supraleiter gebildet werden kann, aber der eigentliche Prozess der Kombination dieser beiden Materialien ist eine Herausforderung“, sagte Cui-Zu Chang , Henry W. Knerr Early Career Professor und außerordentlicher Professor für Physik an der Penn State und Leiter des Forschungsteams.

„In dieser Studie haben wir eine Technik namens Molekularstrahlepitaxie verwendet, um sowohl topologische Isolator- als auch Supraleiterfilme zu synthetisieren und eine zweidimensionale Heterostruktur zu schaffen, die eine hervorragende Plattform zur Erforschung des Phänomens der topologischen Supraleitung darstellt.“

In früheren Experimenten zur Kombination der beiden Materialien verschwindet die Supraleitfähigkeit in dünnen Filmen normalerweise, sobald eine topologische Isolatorschicht darauf aufgewachsen wird. Physikern ist es gelungen, einen topologischen Isolatorfilm auf einen dreidimensionalen „Bulk“-Supraleiter aufzubringen und die Eigenschaften beider Materialien beizubehalten.

Anwendungen für topologische Supraleiter, wie Chips mit geringem Stromverbrauch in Quantencomputern oder Smartphones, müssten jedoch zweidimensional sein.

In dieser Veröffentlichung stapelte das Forschungsteam einen topologischen Isolatorfilm aus Wismutselenid (Bi2Se3) mit unterschiedlichen Dicken auf einen Supraleiterfilm aus einschichtigem Niobdiselenid (NbSe2), was zu einem zweidimensionalen Endprodukt führte. Durch die Synthese der Heterostrukturen bei sehr niedriger Temperatur konnte das Team sowohl die topologischen als auch die supraleitenden Eigenschaften beibehalten.

„In Supraleitern bilden Elektronen ‚Cooper-Paare‘ und können ohne Widerstand fließen, aber ein starkes Magnetfeld kann diese Paare aufbrechen“, sagte Hemian Yi, Postdoktorand in der Chang Research Group an der Penn State und Erstautor der Arbeit .

„Der von uns verwendete Monolayer-Supraleiterfilm ist für seine ‚Ising-Typ-Supraleitung‘ bekannt, was bedeutet, dass die Cooper-Paare sehr robust gegenüber den Magnetfeldern in der Ebene sind. Wir würden auch erwarten, dass die in unseren Heterostrukturen gebildete topologische supraleitende Phase robust ist auf diese Weise.“

Durch die subtile Anpassung der Dicke des topologischen Isolators fanden die Forscher heraus, dass sich die Heterostruktur von der Supraleitung vom Ising-Typ – bei der der Elektronenspin senkrecht zum Film verläuft – zu einer anderen Art von Supraleitung namens „Rashba-Typ-Supraleitung“ – bei der der Elektronenspin ist parallel zum Film.

Dieses Phänomen wird auch in den theoretischen Berechnungen und Simulationen der Forscher beobachtet.

Diese Heterostruktur könnte auch eine gute Plattform für die Erforschung von Majorana-Fermionen sein, einem schwer fassbaren Teilchen, das wesentlich dazu beitragen würde, einen topologischen Quantencomputer stabiler als seine Vorgänger zu machen.

„Dies ist eine hervorragende Plattform für die Erforschung topologischer Supraleiter, und wir hoffen, dass wir in unserer weiteren Arbeit Beweise für topologische Supraleitung finden werden“, sagte Chang. „Sobald wir solide Beweise für die topologische Supraleitung haben und die Majorana-Physik demonstrieren, könnte diese Art von System für Quantencomputer und andere Anwendungen angepasst werden.“