研究人员推进用于量子计算的拓扑超导体
量子计算机使用基于脆弱、短暂的量子力学状态的量子比特来处理信息。为了使量子位变得强大并根据应用进行定制,能源部橡树岭国家实验室的研究人员试图创建一种新的材料系统。
橡树岭国家实验室的材料科学家罗伯特·摩尔(RobertMoore)与橡树岭国家实验室的同事、材料科学家马修·布拉莱克(MatthewBrahlek)共同领导了一项发表在《先进材料》杂志上的研究,他说:“我们正在寻求一条利用新型材料制造量子计算机的新途径。”
他们将不提供电流电阻的超导体与具有导电表面但内部绝缘的拓扑绝缘体耦合在一起。其结果是在具有不同原子对称排列的晶体薄膜之间形成原子级清晰的界面。他们设计和制造的新颖界面可能会产生奇异的物理现象,并拥有一个独特的量子构建块,具有作为高级量子位的潜力。
“我们的想法是用具有更强大量子力学特性的材料来制造量子位,”摩尔说。“重要的是,我们已经学会了如何独立控制拓扑绝缘体和超导体的电子结构,以便我们可以定制该界面的电子结构。这是从未做过的。”
控制界面两侧的电子结构可能会在材料内部产生一种称为马约拉纳粒子的东西。“在自然界中,我们有粒子和反粒子,例如电子和正电子,它们在接触时会相互湮灭。马约拉纳粒子就是它自己的反粒子,”摩尔说。1937年,埃托雷·马约拉纳(EttoreMajorana)预言了这些奇异粒子的存在,但其存在仍有待证实。
2008年,宾夕法尼亚大学的理论物理学家梁付和查理·凯恩提出,在拓扑绝缘体与超导体之间创建一个新颖的界面将产生拓扑超导性,这是一种预计将容纳马约拉纳粒子的新物质相。
ORNL的MattBrahlek使用分子束外延技术逐个原子地生长拓扑绝缘和超导材料的薄膜界面。图片来源:CarlosJones/ORNL,美国能源部
“如果你有一对马约拉纳粒子并将它们相互移动,就会对这种运动产生记忆。它们总是知道彼此的位置,”摩尔说。“这个过程可用于编码量子信息并以新的方式进行计算。”
然而,实现能够承载马约拉纳粒子的新物质相取决于找到合适的材料。这样的成就需要多元化的专家团队。
当摩尔于2019年来到橡树岭国家实验室时,他带来了角分辨光电子能谱(ARPES)方面的新专业知识,这是一种探测材料电子结构的技术。ARPES基于光电效应,阿尔伯特·爱因斯坦因此荣获1921年诺贝尔物理学奖。它将光源聚焦在样品上,并表征当电子吸收光子能量时从材料表面发射的电子。该技术帮助科学家了解电子在材料内部的行为方式。
这项对ARPES专业知识的战略投资帮助ORNL赢得了领导美国能源部五个国家量子信息科学研究中心之一的量子科学中心的竞标,该中心于2020年启动。QSC由ORNL的TravisHumble领导,旨在实现量子计算和传感应用通过开发硬件和算法以及发现新材料。摩尔和他的同事专注于硬件开发的拓扑材料。自4月以来,摩尔还与BenMintz共同领导橡树岭国家实验室的互联科学生态系统(INTERSECT),开发未来的实验室——智能、自主控制的过程和实验,有可能彻底改变研究成果。
Brahlek于2018年加入ORNL,最近获得了美国能源部早期职业研究奖,是材料精密合成方面的专家。为了在超导体和拓扑绝缘体之间制造超净界面,他使用了分子束外延,这是一种工业上用于电子设备半导体大规模制造的方法。
在前博士后泰勒·史密斯的帮助下,布拉莱克在超高真空下进行了合成。“在室内,弹跳的分子比外太空少。这是一个非常干净的环境。必须得到很好的控制,”布拉莱克说。“你从小熔炉开始,每个熔炉都含有一种元素。每个熔炉都会加热,直到里面的元素开始升华,或者从固态转变为气态。这会产生元素束。它们都会聚集在晶体基板上并粘附。”
将电线连接到拓扑绝缘体和超导体的界面可以探测新的电子特性。研究人员的目标是基于理论化的马约拉纳粒子的量子位。图片来源:CarlosJones/ORNL,美国能源部
他共同沉积铁、硒和碲,制造出一个原子层厚的超导体。布拉莱克说:“如果条件完全正确,沉积的原子将通过化学方式结合并逐个原子层地组装成晶体薄膜。”
布拉莱克说:“获得结果的关键是了解如何在原子界面将碲化铋与硒化铁碲化物结合以获得所需的电子行为。”
这一成就非常棘手,因为超导体的铁、硒和碲晶格包含有序的方形晶格,而拓扑绝缘体是相邻三角形的网络。“我们将一些正方形的东西放在三角形的东西上,但令人惊讶的是,晶体薄膜生长得很好,”布拉莱克说。“这一成就需要了解这些界面上发生的物理和化学,这对于将拓扑和超导特性结合在一个平台中至关重要。”
该平台就是拓扑超导体。为了了解其拓扑特性,摩尔在橡树岭国家实验室博士后卢强生的帮助下,使用自旋分辨ARPES来探测拓扑绝缘体和超导体界面处的量子自旋相关电子结构。与此同时,为了证实其超导行为,布拉莱克和前橡树岭国家实验室博士后研究员Yun-YiPai和MichaelChilcote协助测量了电阻。
摩尔说:“我们能够看到不同的电子结构如何在界面处相互作用,并且我们能够控制这些相互作用,以确保拓扑超导的所有成分都存在。”“我们发现所需的拓扑特性仅存在于特定的硒掺杂范围。这是一个惊喜,对于制造量子位至关重要。”
与此同时,ORNL纳米相材料科学中心的HoyeonJeon和An-PingLi使用扫描隧道显微镜来表征材料的无序性。ORNL的科学家胡淼和冈本聪在整个研究过程中提供了实验和理论指导。
关键挑战依然存在。“我们需要在原子水平上改进和更好地理解材料,这对于确认和使用马约拉纳粒子的应用至关重要,”摩尔说。“下一步将使用CNMS新安装的超低温扫描隧道显微镜仪器探索可能的马约拉纳粒子。”
他补充道:“实现基于马约拉纳粒子的量子位是量子科学中心的最终目标之一。材料中的马约拉纳粒子是一种奇特的状态。证明它的存在需要构建和测试类似量子位的设备。这是一种奇怪的思考方式,但你必须制造一个量子位来证明它是一个量子位。我们现在知道如何将材料控制到实现这一目标所需的水平。”
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