Elektronen die stromen als vloeistoffen maken de weg vrij voor robuuste kwantumcomputers

Elektronen die stromen als vloeistoffen maken de weg vrij voor robuuste kwantumcomputers

Een close-up van de punt van een scanning tunneling microscoop bij NTU Singapore en een testmonster in de ultrahoge vacuümkamer van de microscoop. De kamer is nodig om de ultralage temperaturen voor de experimenten te bereiken en om de geteste quantum spin Hall-isolatoren te beschermen. Krediet: SPMS/NTU Singapore

Quantumcomputers, die veel sneller berekeningen kunnen uitvoeren dan traditionele computers, hebben een groot probleem: ze zijn gevoelig voor gegevensopslag- en verwerkingsfouten die worden veroorzaakt door verstoringen uit de omgeving, zoals trillingen en straling van warme objecten.

Maar een ontdekking door wetenschappers onder leiding van Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), over hoe elektronen bij zeer lage temperaturen kunnen worden gecontroleerd, suggereert een manier om dit probleem aan te pakken en robuustere en nauwkeurigere kwantumcomputers te ontwikkelen.

De bevindingen van het team, die online werden gepubliceerd in de Natuurcommunicatie tijdschrift in oktober 2022, toonde voor het eerst aan dat elektronen onder bepaalde omstandigheden sterke interacties tussen hen kunnen hebben.

Deze interacties, die voorheen alleen in theoretische modellen waren voorspeld, werden waargenomen aan de randen van een soort atomair dun en elektrisch isolerend materiaal bij ultralage temperaturen dicht bij de kou van de ruimte.

Onder leiding van assistent-professor Bent Weber van de NTU Singapore’s School of Physical and Mathematical Sciences (SPMS), bevestigde het onderzoeksteam dat interacties bij deze lage temperaturen ervoor zorgen dat de elektronen als een vloeistof stromen. Dit betekent dat de elektronen de neiging hebben om collectief langs een lijn te bewegen in plaats van individueel of lukraak in verschillende richtingen te bewegen.

Elektronen die stromen als vloeistoffen maken de weg vrij voor robuuste kwantumcomputers

Rimpelingen in een „elektronische vloeistof“ die werden onderzocht door de atomair scherpe punt van een scanning tunneling microscoop in de experimenten van de onderzoekers. Krediet: SPMS/NTU Singapore

Het „in lijn“ krijgen van de elektronen voor deze speciale toestand van materie, een „spiraalvormige Tomonaga-Luttinger-vloeistof“ genoemd, is een van de belangrijkste factoren die volgens natuurkundigen van cruciaal belang zijn om elektronen te laten groeperen om een ​​deeltje te vormen dat een parafermion wordt genoemd. Naast deze speciale toestand van de materie is er nog een andere belangrijke factor nodig voor de vorming van parafermionen, die bij nog lagere temperaturen een rol gaat spelen: supergeleiding. Deze eigenschap, die verwijst naar het vermogen om elektriciteit te geleiden zonder energie te verliezen, is terug te vinden in bepaalde materialen.

Het creëren van parafermionen is een zeer gewild doel van wetenschappers, omdat wordt voorspeld dat deze deeltjes kwantumcomputers helpen om informatie op een robuustere manier op te slaan dan tegenwoordig mogelijk is.

Quantumcomputers, die een complex wiskundig probleem in minuten kunnen oplossen, vergeleken met duizenden jaren voor supercomputers, slaan momenteel informatie op door elektronen of licht te manipuleren bij ultralage temperaturen dichtbij het absolute nulpunt of ongeveer -273 graden Celsius.

Maar de opgeslagen gegevens in een kwantumcomputer kunnen heel gemakkelijk worden beschadigd door verstoringen uit de omgeving, waaronder trillingen, straling van warme objecten of veranderingen in elektrische velden.

Elektronen die stromen als vloeistoffen maken de weg vrij voor robuuste kwantumcomputers

(LR) Dr. Que Yande, een senior research fellow van de SPMS van NTU Singapore; PhD-student Jia Junxiang, de eerste auteur van de studie; en Asst Prof Bent Weber van de school die het onderzoek leidde, met een scanning tunneling microscoop aan de universiteit. Krediet: SPMS/NTU Singapore

Van parafermionen wordt echter aangenomen dat ze veel beter bestand zijn tegen dergelijke verstoringen, omdat de interacties tussen de elektronen die een parafermion vormen en de manier waarop ze in een materiaal bewegen ze stabieler maken. Als parafermionen zouden worden gebruikt om informatie op te slaan in kwantumcomputers, zouden de machines minder gevoelig moeten zijn voor fouten.

Scannen van elektronen

In dit laatste onderzoek observeerden de wetenschappers hoe elektronen zich gedroegen onder een scanning tunneling microscoop. Dit werd gedaan door de rand van een speciale klasse van zeer dun elektrisch isolerend materiaal ongelooflijk dicht bij de extreem scherpe metalen punt van de microscoop te brengen. De afstand tussen de twee was slechts één nanometer of minder, zelfs kleiner dan een DNA-streng.

Het isolatiemateriaal dat de onderzoekers gebruikten, bestond uit microscopisch kleine, één atoom dikke kristallen van de verbinding wolfraamditelluride, gegroeid op een grafiet- of grafeensubstraat. Dergelijke materialen, die bijna tweedimensionaal lijken, worden geclassificeerd als ‚quantum spin Hall-isolatoren‘, die aan de binnenkant elektrisch isoleren, maar elektronen hebben langs de randen van de materialen.

Elektronen die stromen als vloeistoffen maken de weg vrij voor robuuste kwantumcomputers

(LR) Dr. Que Yande, senior research fellow van Nanyang Technological University, Singapore’s School of Physical and Mathematical Sciences (SPMS); Asst Prof Bent Weber van de school die het onderzoek leidde; en PhD-student Jia Junxiang, de eerste auteur van de studie, met een scanning tunneling microscoop aan de universiteit. Krediet: SPMS/NTU Singapore

De wetenschappers brachten vervolgens een elektrische stroom van de microscoop aan en observeerden de elektronen, terwijl de temperatuur van het experiment zo laag als 4,5 Kelvin of ongeveer -269 graden Celsius werd gehouden. Dit is dicht bij het absolute nulpunt, de temperatuur waarbij deeltjes zo veel vertragen dat ze bijna helemaal niet meer bewegen.

Gewoonlijk stoten elektronen elkaar af omdat ze allemaal negatief geladen zijn en zich op een gasachtige manier gedragen, niet typisch samen groeperen. Maar naarmate de temperatuur daalt, vertragen de bewegingen van de elektronen.

Bij voldoende lage temperaturen zorgt een sterke afstoting tussen de elektronen ervoor dat de deeltjes zich als een vloeistof gedragen.

Een maat voor de sterkte van de interacties is een waarde die de Luttinger-parameter wordt genoemd. Als deze parameter 1 is, zijn de interacties tussen de elektronen het zwakst.

„Wanneer de Luttinger-parameter minder dan 0,5 is, zijn de interacties sterk en worden de elektronen gedwongen tot collectieve beweging. Dit is het rijk waar parafermionen naar verwachting zullen bestaan“, zei Asst Prof Weber.

Met behulp van verschillende substraten zoals grafeen of grafiet, en het controleren van verschillende randen van de materialen, konden de onderzoekers zeer lage Luttinger-parameters bepalen die binnen een bereik van 0,21 tot 0,33 konden worden gecontroleerd.

„Dit is echt een opmerkelijk bereik van variatie, aangezien de Luttinger-parameter alleen tussen 0 en 1 kan liggen“, zei Asst. prof. Weber. „Controle van de Luttinger-parameter bij zulke lage waarden is nog nooit eerder waargenomen in een spiraalvormige Tomonaga-Luttinger-vloeistof.“

Dhr. Jia Junxiang, een Ph.D. leerling van Ass. prof. De onderzoeksgroep van Weber en de eerste auteur van de studie, zeiden dat de experimenten moeilijk uit te voeren waren.

„De scanning tunneling spectroscopie werd uitgevoerd bij temperaturen van 4,5 Kelvin, en we moesten kenmerken lokaliseren binnen minder dan 30 nanometer (nm)“, zei hij. „De rand van de geteste quantum spin Hall-isolator was slechts 2 nm dik.“

Het oppervlak van materialen met de microscoop op dergelijke afstanden aftasten zonder de plek uit het oog te verliezen die wordt waargenomen bij veranderende temperaturen, is een grote uitdaging.

„In de toekomst zal een van onze grootste uitdagingen zijn om naar nog lagere temperaturen te gaan, die nodig zijn om parafermionen waar te nemen. Daarvoor hebben we veel geavanceerdere laboratoria en apparatuur nodig“, zei dhr. Jia.

Vooruit, ass. prof. Weber is van plan experimenten uit te voeren met dergelijke geavanceerde apparatuur in een nieuw Ultra-Low Vibration Laboratory dat dit jaar bij NTU Singapore is gebouwd. In het laboratorium kunnen experimenten worden gedaan bij nog lagere temperaturen van 150 millikelvin (mK), wat dicht bij -273 graden Celsius ligt, waarbij bepaalde materialen supergeleidend kunnen worden.

Experimenteren met supergeleidende kwantumspin Hall-isolatoren zal de volgende onderzoeksfase zijn die zijn team zal ondernemen in de zoektocht naar parafermionen.


Gedrag van ‚gevangen‘ elektronen in een eendimensionale wereld waargenomen in het lab


Meer informatie:
Junxiang Jia et al, Afstemming van de interacties tussen veel lichamen in een spiraalvormige Luttinger-vloeistof, Natuurcommunicatie (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-33676-0

Geleverd door Nanyang Technological University

Citaat: Elektronen die stromen als vloeistoffen effenen de weg voor robuuste kwantumcomputers (2022, 25 oktober) opgehaald op 26 oktober 2022 van https://phys.org/news/2022-10-electrons-liquids-pave-robust-quantum.html

Op dit document rust copyright. Afgezien van een eerlijke handel ten behoeve van eigen studie of onderzoek, mag niets worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud wordt uitsluitend ter informatie verstrekt.

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert