Elektronen zoeven langs kwantumsnelwegen in nieuw materiaal

Wetenschappers lieten zien hoe MnBi₆Te₁₀, hier weergegeven in paars (tellurium), blauw (bismut) en groen (mangaan), kan fungeren als een magnetische topologische isolator en elektrische stroom (blauw) geleiden langs een “kwantumsnelweg” zonder energie te verliezen. De studie onthulde dat een gezamenlijke actie van verschillende materiaaldefecten de sleutel is tot de kwantumelektronische eigenschappen. Krediet: Universiteit van Chicago

Onderzoekers van de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) van de University of Chicago hebben een nieuw materiaal ontdekt, MnBi₆Te₁₀, die kunnen worden gebruikt om kwantumsnelwegen te creëren waarlangs elektronen kunnen bewegen. Deze elektronendoorgangen zijn potentieel nuttig bij het verbinden van de interne componenten van krachtige, energiezuinige kwantumcomputers.

Wanneer elektronen door traditionele metaaldraden bewegen, verliezen ze een kleine hoeveelheid energie – in de vorm van warmte – en sommige van hun intrinsieke eigenschappen veranderen. Daarom kunnen deze draden niet worden gebruikt om delen van kwantumcomputers met elkaar te verbinden die gegevens coderen in de kwantumeigenschappen van elektronen.

In het nieuwe werk, gepubliceerd in het tijdschrift Nano-lettershebben onderzoekers gedetailleerd beschreven hoe MnBi₆Te₁₀ fungeert als een “magnetische topologische isolator”, waarbij elektronen rond de omtrek worden gependeld, terwijl de energie en kwantumeigenschappen van de elektronen behouden blijven.

“We hebben een materiaal ontdekt dat de potentie heeft om de kwantumsnelweg te openen zodat elektronen zonder dissipatie kunnen stromen”, zei Asst. Prof. Shuolong Yang, die het onderzoek leidde. “Dit is een belangrijke mijlpaal in de richting van de engineering van topologische kwantumcomputers.”

Quantum verbindingen

Quantumcomputers slaan gegevens op in qubits, een basiseenheid van informatie die kwantumeigenschappen vertoont, waaronder superpositie. Tegelijkertijd werken onderzoekers aan de ontwikkeling van apparaten die dergelijke qubits verbinden – soms in de vorm van enkele elektronen – ze hebben ook nieuwe materialen nodig die de informatie die in deze qubits is opgeslagen, kunnen verzenden.

Theoretische natuurkundigen hebben voorgesteld dat elektronen tussen topologische qubits kunnen worden overgedragen door de elektronen te dwingen in een eendimensionaal geleidingskanaal aan de rand van een materiaal te stromen. Eerdere pogingen om dit te doen vereisten extreem lage temperaturen die voor de meeste toepassingen niet haalbaar waren.

“De reden dat we besloten om naar dit specifieke materiaal te kijken, is dat we dachten dat het zou werken bij een veel realistischere temperatuur”, zegt Yang.

Yang’s groep begon MnBi . te bestuderen₆Te₁₀, met behulp van mangaan om magnetisatie te introduceren in de halfgeleider gevormd door bismut en tellurium. Terwijl elektronen willekeurig door het binnenste van de meeste halfgeleiders stromen, is het magnetische veld in MnBi₆Te₁₀ dwingt alle elektronen in een enkele rij aan de buitenkant van het materiaal.

De PME-onderzoekers verkregen MnBi₆Te₁₀ die was gefabriceerd door medewerkers van het 2D Crystal Consortium in Pennsylvania State University, onder leiding van Zhiqiang Mao. Vervolgens gebruikte het team een ​​combinatie van twee benaderingen – hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) – om precies te bestuderen hoe de elektronen in MnBi₆Te₁₀ zich gedroeg en hoe de beweging van de elektronen varieerde met magnetische toestanden. De TEM-experimenten werden uitgevoerd in samenwerking met het laboratorium van de Pennsylvania State University van Nasim Alem.

Gewenste gebreken

Toen ze de eigenschappen van MnBi . aan het onderzoeken waren₆Te₁₀viel het onderzoeksteam in eerste instantie tegen: sommige stukken van het materiaal leken goed te werken als magnetische topologische isolatoren, terwijl andere stukken dat niet deden.

“Sommigen hadden de gewenste elektronische eigenschappen en andere niet, en het interessante was dat het erg moeilijk was om het verschil in hun structuren te zien,” zei Yang. “We zagen hetzelfde toen we structurele metingen deden, zoals röntgendiffractie, dus het was een beetje een mysterie.”

Door hun TEM-experimenten onthulden ze echter dat alle stukjes MnBi₆Te₁₀ dat werkte, had iets gemeen: gebreken in de vorm van ontbrekend mangaan verspreid over het materiaal. Verdere experimenten toonden aan dat deze defecten inderdaad nodig waren om de magnetische toestand aan te drijven en elektronen te laten stromen.

“Een zeer hoge waarde van dit werk is dat we voor het eerst hebben ontdekt hoe we deze defecten kunnen afstemmen om kwantumeigenschappen mogelijk te maken,” zei Yang.

De onderzoekers streven nu naar nieuwe methoden voor het kweken van MnBi₆Te₁₀ kristallen in het lab, maar ook om te onderzoeken wat er gebeurt met ultradunne, tweedimensionale versies van het materiaal.