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超薄设计材料可释放量子现象

2021-01-09 14:36:32 宇宙探秘

    在《自然》杂志上,一组物理学家发表论文指出,设计出了一种新的超薄材料,用于制造难以捉摸的量子态。这些量子态被称为“一维马约拉纳零能量模式”,可对量子计算产生巨大影响。

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    量子计算机的核心是量子位,用于进行高速计算。量子位对计算机周围的噪声和干扰非常敏感,这会在计算中引入误差。一种新型的量子比特,称为拓扑量子比特,可以解决此问题,而一维马约拉纳零能量模式将可能是制造这种拓扑量子比特的关键。


    什么是“一维马约拉纳零能量模式”?


    一维马约拉纳零能量模式,英语:one-dimensionalMajoranazeroenergymodes,缩写:MZM,是一组以特定方式结合在一起的电子,因此它们的行为就像一个叫做马约拉纳费米子的粒子,这是粒子物理学家马约拉纳在1930年代首次提出的粒子。如果将马约拉纳的理论粒子束缚在一起,它们将作为拓扑量子位起作用。问题是:无论是在实验室还是在天文学中,都没有发现它们存在的证据。研究人员没有试图制造出一个在宇宙中任何地方都从未见过的粒子,而是试图使规则的电子表现得像它们。


    为了制造MZM,研究人员需要非常非常小的材料。MZM的形成是通过给一组电子提供非常特定数量的能量,然后将它们捕获在一起以使它们无法逃逸。为此,材料必须是二维的,并且在物理上应尽可能薄。要创建一维MZM,团队需要制造一种全新的2D材料:一种拓扑超导体。如图所示一维马约拉纳零能量模式位于二维拓扑超导体的边缘。


    拓扑超导性是在电绝缘体和超导体的边界处发生的特性。要创建一维MZM,研究团队需要能够在拓扑超导体中将电子捕获在一起,但是,这并不像将磁体吸附到任何超导体上那样简单。


    研究人员解释说:“如果将大多数磁铁放在超导体上,就会阻止它成为超导体。”“材料之间的相互作用破坏了它们的性能,但是要制造MZM,您需要使材料稍微相互作用。技巧是使用2-D材料:它们之间的相互作用足以使您需要的MZM特性。”


    问题是是自旋的属性。在磁性材料中,自旋全部沿相同方向排列,而在超导体中,自旋以交替方向反排列。将磁体和超导体放在一起通常会破坏自旋的对准和反对准。但是,在二维分层材料中,材料之间的相互作用足以“倾斜”原子的自旋,足以使它们产生制造MZM所需的特定自旋态,称为Rashba自旋轨道耦合。


    查找——维马约拉纳零能量模式


    该研究中的拓扑超导体是由一层溴化铬制成的,这种材料仅当一个原子厚时仍具有磁性。研究团队在二硒化铌超导晶体上生长了一个原子厚的溴化铬岛,并使用扫描隧道显微镜对其电性能进行测量。


    Foster教授说:“需要大量的仿真工作来证明我们看到的信号是由MZM引起的,而不是其它影响。”“我们需要证明所有零件都装配在一起以证明我们生产了MZM。”现在,团队确定他们可以使用二维材料制作一维MZM,下一步将是尝试将它们制作成拓扑量子位。


    Liljeroth教授说:“该研究很酷的部分是我们用二维材料制造了MZM,从原理上讲,它们更易于制造、更易于定制其性能,最终成为很可用的设备。”


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