22. april 2020

Kvanteforskning kombinerer to idéer og finder nye veje til topologisk superledning

Kvantefysik

Forskere fra Københavns Universitet har opdaget en ny måde at skabe topologiske superledere på. Den kan vise sig at være et brugbart fundament for udviklingen af qubits til kvanteinformation i fremtiden.

Nanowirere sammensat af forskellige materialer (halvleder, superleder, og ferromagnetisk isolator) og med et sekskantet tværsnit (A). Ved lave temperature og med påtrykt magnetfelt ses nulenergi tilstande (B). Computerberegning af den teoretiske model viser, at det observerede er konsistent med at nanowiren bliver en topologisk superleder (C).
Nanowirere sammensat af forskellige materialer (halvleder, superleder, og ferromagnetisk isolator) og med et sekskantet tværsnit (A). Ved lave temperature og med påtrykt magnetfelt ses nulenergi tilstande (B). Computerberegning af den teoretiske model viser, at det observerede er konsistent med at nanowiren bliver en topologisk superleder (C).

Et konceptuelt gennembrud kalder forskerne den blyantformede halvledende metaltråd, som kun måler nogle få hundrede nanometer. I et samarbejde mellem Niels Bohr Instituttet, Center for Quantum Devices på Københavns Universitet og Microsoft Quantum Lab, har forskere opdaget en ny vej til topologisk superledelse og Majorana nulenergi tilstande i såkaldte ’nanowires’. Studiet er netop publiceret i Science.

Det nye princip, som forskerne har fundet, benytter, at den superledende fase danner en hvirvel rundt langs omkredsen på den halvledende nanotråd, som er dækket med et superledende materiale. Dette opnås ved at påtrykke et lille magnetfelt.

“Resultatet kan give os en brugbar vej til at bruge Majorana nulenergi tilstande som fundament for beskyttede qubits til kvanteinformation. Vi ved endnu ikke, om nanotråden i sig selv bliver brugbar, eller om det blot er de bagvedliggende idéer, vi kan udnytte,” siger Charles Marcus, Villum Kann Rasmussen Professor på Niels Bohr Institutet og Scientific Director i Microsoft Quantum Lab i København.

Det, som vi har opdaget, lader til at være en meget nemmere måde at skabe Majorana nulenergi tilstande på. En måde hvor man kan tænde og slukke dem, og det kan gøre en kæmpe forskel for vores videre arbejde.

postdoc Saulius Vaitiekėnas, som har udført eksperimenterne i laboratoriet.

En kombination af to kendte idéer

Den nye forskning fusionerer to idéer, som allerede bruges i den kvantemekaniske verden: hvirvel-baserede topologiske superledere og endimensionelle topologiske superledninger i nanotråde.

”Det væsentlige i vores resultat er først og fremmest, at det forener to forskellige tilgange til at forstå og skabe topologisk superledning og Majorana nulenergi tilstande,” siger professor Karsten Flensberg, leder af Center for Quantum Devices.

Den nye opdagelse kan kaldes en forlængelse af et stykke 50 år gammelt fysik kaldet Little-Parks effekten. Little-Parks effekten beskriver, hvorledes en superleder, når den påvirkes af et magnetfelt, får en hvirvel i sin kvantemekaniske bølgefunktion. Man kan tænke på dette som en snor, der kan vikles et antal gange om en cylinder, og her opnås den nye opdagelse, når antallet af omviklinger går fra 0 til 1.

Charles M. Marcus, Saulius Vaitiekėnas og Karsten Flensberg fra Niels Bohr Institutet og Microsoft Quantum Lab.
Charles M. Marcus, Saulius Vaitiekėnas og Karsten Flensberg fra Niels Bohr Institutet og Microsoft Quantum Lab.

For at realisere den nye fysik var der brug for var en særlig type materiale, som kombinerer halvledende nanotråde og superledende aluminium. Disse materialer er blevet udviklet på Center for Quantum Devices over de seneste år. De specifikke nanotråde anvendt i dette studie er særlige, fordi de har en fuldt dækkende superledende skal, som er udviklet af professor Peter Krogstrup, Center for Quantum Devices og Scientific Director i Microsoft Quantum Materials Lab i Lyngby.

Forskningen er resultatet af den samme grundlæggende nysgerrighed, som gennem historien har ført til mange store opdagelser.

Vores motivation for at lave eksperimenterne var i første omgang en nysgerrighed på at se, hvad der ville ske. 

siger Charles Marcus om opdagelsen, som han betegner som en mulig vej fremad for kvantecomputeren.

Læs mere om Center for Quantum Devices