Een pad naar topologische qubits van grafeen

In het kwantumrijk kunnen elektronen zich groeperen om zich op interessante manieren te gedragen. Magnetisme is een van deze gedragingen die we in ons dagelijks leven zien, net als de zeldzamere verschijnselen van supergeleiding. Het is intrigerend dat deze twee gedragingen vaak antagonisten zijn, wat betekent dat het bestaan ​​van een van hen vaak de ander vernietigt. Als deze twee tegengestelde kwantumtoestanden echter worden gedwongen om kunstmatig naast elkaar te bestaan, verschijnt er een ongrijpbare toestand die een topologische supergeleider wordt genoemd, wat opwindend is voor onderzoekers die topologische qubits proberen te maken.

Topologische qubits zijn opwindend als een van de mogelijke technologieën voor toekomstige kwantumcomputers. Met name topologische qubits vormen de basis voor topologische quantum computing, wat aantrekkelijk is omdat het veel minder gevoelig is voor interferentie van zijn omgeving door het verstoren van de metingen. Het ontwerpen en beheren van topologische qubits is echter een kritisch open probleem gebleven, uiteindelijk vanwege de moeilijkheid om materialen te vinden die deze toestanden kunnen huisvesten, zoals topologische supergeleiders.

Om de ongrijpbaarheid van topologische supergeleiders te overwinnen, die opmerkelijk moeilijk te vinden zijn in natuurlijke materialen, hebben natuurkundigen methodologieën ontwikkeld om deze toestanden te construeren door gewone materialen te combineren. De basisingrediënten voor het ontwerpen van topologische supergeleiders – magnetisme en supergeleiding – vereisen vaak het combineren van dramatisch verschillende materialen. Bovendien vereist het creëren van een topologisch supergeleidend materiaal dat ze het magnetisme en de supergeleiding nauwkeurig kunnen afstemmen, dus onderzoekers moeten bewijzen dat hun materiaal tegelijkertijd zowel magnetisch als supergeleidend kan zijn, en dat ze beide eigenschappen kunnen beheersen. Bij hun zoektocht naar een dergelijk materiaal hebben onderzoekers zich tot grafeen gewend.

Grafeen – een enkele laag koolstofatomen – vertegenwoordigt een zeer controleerbaar en algemeen materiaal en is naar voren gebracht als een van de kritische materialen voor kwantumtechnologieën. Het naast elkaar bestaan ​​van magnetisme en supergeleiding is echter ongrijpbaar gebleven in grafeen, ondanks langdurige experimentele inspanningen die het bestaan ​​van deze twee toestanden onafhankelijk van elkaar hebben aangetoond. Deze fundamentele beperking vormt een kritisch obstakel voor de ontwikkeling van kunstmatige topologische supergeleiding in grafeen.

In een recent baanbrekend experiment hebben onderzoekers van de UAM in Spanje, CNRS in Frankrijk en INL in Portugal, samen met de theoretische ondersteuning van prof.Jose Lado van de Aalto University, een eerste stap aangetoond op weg naar topologische qubits in grafeen. De onderzoekers toonden aan dat enkele lagen grafeen gelijktijdig magnetisme en supergeleiding kunnen herbergen, door kwantumexcitaties te meten die uniek zijn voor dit samenspel. Deze doorbraak werd bereikt door het magnetisme van kristaldomeinen in grafeen te combineren met de supergeleiding van afgezette metalen eilanden.

“Dit experiment toont aan dat twee belangrijke paradigmatische kwantumorden, supergeleiding en magnetisme, gelijktijdig naast elkaar kunnen bestaan ​​in grafeen”, zei professor Jose Lado, “Uiteindelijk toont dit experiment aan dat grafeen tegelijkertijd de noodzakelijke ingrediënten voor topologische supergeleiding kan bevatten. experiment hebben we nog geen topologische supergeleiding waargenomen, voortbouwend op dit experiment kunnen we mogelijk een nieuwe weg openen naar op koolstof gebaseerde topologische qubits. “

De onderzoekers veroorzaakten supergeleiding in grafeen door een eiland van een conventionele supergeleider dicht bij korrelgrenzen af ​​te zetten, waardoor op natuurlijke wijze naden in het grafeen werden gevormd die iets andere magnetische eigenschappen hebben dan de rest van het materiaal. Het is aangetoond dat de supergeleiding en het korrelgrensmagnetisme aanleiding geven tot Yu-Shiba-Rusinov-toestanden, die alleen kunnen bestaan ​​in een materiaal wanneer magnetisme en supergeleiding naast elkaar bestaan. De verschijnselen die het team in het experiment observeerde, kwamen overeen met het theoretische model dat was ontwikkeld door professor Lado, wat aantoont dat de onderzoekers de kwantumverschijnselen in hun hybride designer-systeem volledig kunnen beheersen.

De demonstratie van Yu-Shiba-Rusinov-staten in grafeen is de eerste stap naar de ultieme ontwikkeling van op grafeen gebaseerde topologische qubits. In het bijzonder door de Yu-Shiba-Rusinov-staten zorgvuldig te controleren, kunnen topologische supergeleiding en Majorana-staten worden gecreëerd. Topologische qubits op basis van Majorana-toestanden kunnen mogelijk de beperkingen van huidige qubits drastisch overwinnen door kwantuminformatie te beschermen door gebruik te maken van de aard van deze onconventionele toestanden. Het ontstaan ​​van deze toestanden vereist een nauwgezette controle van de systeemparameters. Het huidige experiment vormt het cruciale startpunt voor dit doel, waarop kan worden voortgebouwd om hopelijk een ontwrichtende weg te openen naar op koolstof gebaseerde topologische kwantumcomputers.