Forskere jobber med et materiale for å beskytte kvantemaskiner mot feil. (Foto: mattjeacock / iStock.com)
Les høyt Forskere har oppdaget et materiale som faktisk er en elektrisk isolator, men som leder strøm på overflaten. Egenskapene kan tillate fremtidige kvantemaskiner å fungere ordentlig.

Selv en datamaskin gjør feil. Men feiltolerante datamaskiner leverer riktig resultat til tross for noen feilaktige aritmetiske operasjoner. Konvensjonelle datamaskiner oppnår dette, for eksempel ved å utføre visse beregninger på en annen måte. For fremtidige kvantecomputere kan feil til og med elimineres praktisk talt ved naturlov.

Et viktig skritt i denne retningen har nylig blitt tatt av et internasjonalt team av forskere ledet av Gustav Bihlmayer fra Forschungszentrum Jülich. Han og kollegene har lyktes for første gang i en vismut-antimon-legering å bevise direkte 2004-teoretisk forutsagt kvantespinn Hall-effekt. Denne effekten muliggjør eksistensen av "beskyttede" elektroniske tilstander. Disse tilstandene er av interesse for bruk i kvantecomputere, som i prinsippet kan løse visse problemer mer effektivt enn konvensjonelle datamaskiner. Ved å "spin" (engelsk "spin", "spin") forstår fysikere vinkelmomentet og den indre magnetiseringen av partikler, for eksempel elektroner.

Quantum spin Hall-effekten er en kvantefysisk variant av den klassiske Hall-effekten, som ble oppdaget i 1879 av den amerikanske fysikeren Edwin Hall. Hall har vist at i en strømførende leder, som er i et magnetfelt, genereres det en elektrisk spenning - både vinkelrett på strømmen og vinkelrett på magnetfeltet. Omtrent 100 år senere, i 1980, fant den tyske fysikeren Klaus von Klitzing ut at ved meget lave temperaturer og sterke magnetfelt vokser ikke denne Hall-spenningen proporsjonalt med magnetfeltet, som i den klassiske Hall-effekten, men øker steg for steg,

Klitzing mottok Nobelprisen for fysikk i 1985 for oppdagelsen av denne kvante Hall-effekten. Gustav Bihlmayer og kollegene har nå kommet langt med den kvante spin-hall-effekten: For første gang var fysikere i stand til å bevise eksistensen av en "topologisk isolator". Dette er et materiale med ekstremt uvanlige elektriske ledningsegenskaper som følge av kvantespinn Hall-effekten. Det som er uvanlig er at materialet, som faktisk er elektrisk ikke-ledende, gir rom for strømmer på overflaten. Disse strømningene flyter uten å konsumere energi. Og de kan bare endres med en relativt stor mengde energi. Det betyr at små forstyrrelser ikke kan skade dem. Denne egenskapen er det som gjør topologiske isolatorer så interessante for kvantedataforskning. utstilling

Vredte bånd

I motsetning til kvante Hall-effekten, krever Quantum Spin Hall-effekten ingen ytre magnetfelt. Dens rolle blir tatt på det nå undersøkte materialet, en vismut-antimon-legering, den såkalte spin-orbit-koblingen. Dette er en interaksjon mellom spinnet til elektronet og magnetfeltet som følger av elektronets bevegelse gjennom krystallgitteret til legeringen.

Spinn-bane-koblingen, som er spesielt uttalt i vismut-antimon-legeringen, forårsaker en slags vridning av de elektriske energibåndene på overflaten av materialet (se diagram nedenfor). I en krystall - et fast stoff der atomene er ordnet i et vanlig gitter - kan elektronene bare holde seg i disse energibåndene. Dette betyr at de bare aksepterer energiverdier som er tilordnet disse energibåndene. Plassering av energibåndene avhenger av egenskapene til det respektive materialet. Hvis det er et avstand mellom det siste fullt elektronfylte energibåndet og det neste tomme båndet, er materialet en isolator. Uten dette gapet er det en elektrisk leder.

"Men med en isolator kan det dannes energitilstander på overflaten gjennom umettede krystallbindinger, og bygge bro mellom det isolerende gapet mellom energibåndene, " forklarer Bihlmayer. "Dette gjør isolatoren til lederen på overflaten. Disse energitilstandene kan imidlertid like lett ødelegges i en felles isolator som de ble opprettet. "For en topologisk isolator er dette annerledes: De tvinnede energibåndene kan ikke bare bli" de-vridd "der. Fysikere sier: de er "topologisk beskyttet". Derfor strømmer en robust strøm på overflaten.

Følsomme kvantetilstander

Etter slike beskyttede forhold sliter kvantedatapionerene med å finne veien. Fordi vanlige kvantefysiske tilstander blir ødelagt av den minste interaksjon med omgivelsene. Så langt kan du forhindre ødeleggelse av slike "qubits" bare med stor innsats. For eksempel ved å avkjøle hele systemet til nær null absolutt null på minus 273 grader Celsius. De beskyttede delene av vismut-antimonlegeringen eksisterer derimot ved romtemperatur.

Det er et annet poeng i favør av bruken av de undersøkte overflatestrømmene i kvantecomputere: "Med disse strømningene blir det ikke transportert noen elektrisk ladning, men snurrer heller, " sier Bihlmayer. GenausoDet er like mange elektroner som flyter med spinn up til høyre som de med spinn down til venstre. "Med opp og ned, sier de to statene, som kan ta et snurr. Noen forskere forventer mye av bruk av spins som qubits fordi det gir dem en ekstra grad av frihet. Fordi orienteringen til spinnene kan lagre informasjon. Og hvis spinnorienteringen kan beskyttes av topologisk isolasjon, ville det være et annet viktig skritt mot en kvantecomputer.

Godt å vite: ledere og isolatorer

Elektronene i et atom kan bane rundt kjernen bare på bestemte baner. Områdene i mellom er "forbudt" når det gjelder kvantefysikk. Sporene tilsvarer visse energiverdier. Verdiene "tillatte" vises skjematisk som linjer i diagrammet (1). Den ledige jernbanen er knallfarget. Interaksjoner mellom nærliggende atomer forårsaker en splitting av energilinjene (2). De tillatte energiverdiene blir litt forskjøvet mot hverandre. I faste stoffer er de mange forskjøvede energilinjene så tett sammen at de danner energiskudd (3). Om et faststoff er en elektrisk leder eller en isolator, avhenger av hvor stort energigapet mellom det høyeste okkuperte båndet, "valensbåndet" og det laveste ledige båndet, ledningsband ”, er. Fordi i et fullt okkupert bånd, kan ingen strøm flyte fordi det ikke er noen fri energiverdi for noe elektron som det kan bytte i. Og i et tomt bånd strømmer det ikke strøm, for det er ingen ladningsbærere (elektroner) der. I en isolator som porselen er valens- og ledningsbånd så langt fra hverandre at elektronene ikke kan bygge bro mellom energiforskjellen (3). I en metallisk leder som kobber, er valens- og ledningsbåndene imidlertid direkte nær hverandre, eller til og med overlapper delvis (4). Derfor kan elektronene lett skifte til ledningsbåndet og gi en strømstrøm. På grunn av ledige stillinger i valensbåndet er det nå også mulig en strøm. På overflaten til en felles isolator (5), samt på overflaten til en topologisk isolator (7), kan det opprettes ytterligere energibånd (kryssede linjer) bro mellom gapene mellom valens- og ledningsbåndene, og dermed tillates en strøm av strøm på overflaten. Imidlertid, mens denne broen brytes sammen i vanlige isolatorer selv med små forstyrrelser (6), blir broforbindelsene i topologiske isolatorer således vridd sammen "At de ikke kan skilles uten mye energi (8). Blått og rødt indikerer "spinnstrømmer" som strømmer i motsatt retning. I datasimuleringen på venstre side er de kryssende spinnenergiestavene også blå og røde, det grå området øverst viser ledningsbåndet, de grå områdene nederst til venstre og høyre tilsvarer valensbåndet.

.De science.de - Axel Tillemans
Anbefalt Redaksjonens