Προσαρμόζοντας μια απλή χημική αναλογία, οι επιστήμονες ανακάλυψαν έναν νέο τρόπο ελέγχου εξωτικών κβαντικών καταστάσεων, οι οποίες θα μπορούσαν να αποτελέσουν τη βάση για την επόμενη γενιά κβαντικών υπολογιστών.
Ακόμη και οι υπερυπολογιστές μπορούν να “κολλήσουν” σε προβλήματα όπου η φύση αρνείται να υπακούσει στους καθημερινούς κανόνες. Η πρόβλεψη της συμπεριφοράς πολύπλοκων μορίων ή ο έλεγχος της ισχύος της σύγχρονης κρυπτογράφησης μπορεί να απαιτούν υπολογισμούς που αυξάνονται πολύ γρήγορα για να μπορέσει να ανταπεξέλθει το κλασικό υλικό (hardware).
Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι σχεδιασμένοι να αντιμετωπίζουν τέτοιου είδους πολυπλοκότητα, αλλά μόνο εάν οι μηχανικοί καταφέρουν να κατασκευάσουν συστήματα που λειτουργούν με εξαιρετικά χαμηλά ποσοστά σφάλματος. Μία από τις πιο υποσχόμενες οδούς προς αυτή την αξιοπιστία περιλαμβάνει μια σπάνια κατηγορία υλικών που ονομάζονται τοπολογικοί υπεραγωγοί.
Υπεραγωγοί με ενσωματωμένη “προστατευμένη” κβαντική συμπεριφορά
Με απλά λόγια, πρόκειται για υπεραγωγούς που διαθέτουν επίσης ενσωματωμένη “προστατευμένη” κβαντική συμπεριφορά, η οποία οι ερευνητές ελπίζουν ότι θα μπορούσε να βοηθήσει στη θωράκιση των ευαίσθητων κβαντικών πληροφοριών από τον θόρυβο.
Το πρόβλημα είναι ότι η κατασκευή υλικών με αυτές τις ιδιότητες είναι παροιμιωδώς δύσκολη.
Μια ομάδα από τη Σχολή Μοριακής Μηχανικής Pritzker του Πανεπιστημίου του Σικάγο (UChicago PME) και το Πανεπιστήμιο της Δυτικής Βιρτζίνια αναφέρει έναν απλούστερο τρόπο για να «εξαναγκάσουν» αυτές τις εξωτικές ιδιότητες να εμφανιστούν σε ένα πραγματικό υλικό. Αντί να βασίζονται σε περίπλοκα κατασκευαστικά τεχνάσματα, δείχνουν ότι μια μικρή αλλαγή στη χημεία μπορεί να αναδιαμορφώσει τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούν μεγάλες ομάδες ηλεκτρονίων, γεγονός που μπορεί να καθορίσει εάν το υλικό θα περιέλθει σε μια συνηθισμένη κατάσταση ή σε κάτι πολύ πιο ασυνήθιστο.
Ο Haoran Lin, μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο του Επίκουρου Καθηγητή Shuolong Yang, είναι ο πρώτος συγγραφέας μιας νέας δημοσίευσης που παρουσιάζει έναν τρόπο δημιουργίας υλικών με τις εξωτικές ιδιότητες των τοπολογικών υπεραγωγών, απλώς τροποποιώντας μια χημική συνταγή.
Πηγή φωτογραφίας: John Zich
Η μέθοδος των επιστημόνων
Η μέθοδός τους επικεντρώνεται στην ανάπτυξη υπέρλεπτων υμενίων (ultrathin films) και στην προσεκτική ρύθμιση της ισορροπίας μεταξύ τελλουρίου και σεληνίου.
Αυτή η μοναδική αλλαγή στη σύσταση αποδείχθηκε αρκετή για να ωθήσει το υλικό μέσα από πολλαπλές κβαντικές φάσεις, συμπεριλαμβανομένης της πολυπόθητης κατάστασης της τοπολογικής υπεραγωγιμότητας.
Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature Communications, υποδεικνύουν ότι ο καθοριστικός μοχλός είναι οι συσχετίσεις ηλεκτρονίων (electron correlations).
Οι συσχετίσεις περιγράφουν πόσο έντονα επηρεάζουν τα ηλεκτρόνια το ένα το άλλο, και στα κβαντικά υλικά αυτή η συλλογική συμπεριφορά μπορεί να κρίνει ποια φάση θα αναδυθεί. Σε αυτό το σύστημα, η αναλογία τελλουρίου προς σελήνιο λειτουργεί ως ένα πρακτικό χειριστήριο ρύθμισης για την αυξομείωση αυτών των συσχετίσεων, μέχρι να εμφανιστεί το επιθυμητό καθεστώς λειτουργίας.
«Μπορούμε να ρυθμίσουμε αυτό το φαινόμενο συσχέτισης σαν έναν διακόπτη», δήλωσε ο Haoran Lin, μεταπτυχιακός φοιτητής στο UChicago PME και πρώτος συγγραφέας της νέας εργασίας. «Εάν οι συσχετίσεις είναι πολύ ισχυρές, τα ηλεκτρόνια “παγώνουν” στη θέση τους. Εάν είναι πολύ ασθενείς, το υλικό χάνει τις ειδικές τοπολογικές του ιδιότητες. Αλλά ακριβώς στο σωστό επίπεδο, προκύπτει ένας τοπολογικός υπεραγωγός».
Αυτό ανοίγει μια νέα κατεύθυνση για την έρευνα των κβαντικών υλικών», δήλωσε ο Shuolong Yang, Επίκουρος Καθηγητής Μοριακής Μηχανικής και κύριος συγγραφέας της νέας εργασίας. «Αναπτύξαμε ένα ισχυρό εργαλείο για τον σχεδιασμό του είδους των υλικών που θα χρειαστούν οι κβαντικοί υπολογιστές επόμενης γενιάς».
Μια ιστορία δύο μεταβάσεων
Το σεληνιούχο τελλούριο του σιδήρου είναι ένα υλικό που ανακαλύφθηκε σχετικά πρόσφατα και είναι γνωστό για το γεγονός ότι συνδυάζει την υπεραγωγιμότητα με ασυνήθιστη τοπολογική συμπεριφορά. «Πρόκειται για ένα μοναδικό υλικό, επειδή συγκεντρώνει όλα τα απαραίτητα “συστατικά” που θα ήλπιζε κανείς να βρει σε μια πλατφόρμα για την τοπολογική υπεραγωγιμότητα: την ίδια την υπεραγωγιμότητα, την ισχυρή σύζευξη σπιν-τροχιάς και τις έντονες ηλεκτρονικές συσχετίσεις», δήλωσε ο Subhasish Mandal, επίκουρος καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Δυτικής Βιρτζίνια και ένας εκ των συγγραφέων της νέας δημοσίευσης.
«Αυτός ο συνδυασμός το καθιστά ένα ιδανικό σύστημα για να εξερευνήσουμε πώς οι διαφορετικές κβαντικές επιδράσεις αλληλεπιδρούν και ανταγωνίζονται μεταξύ τους».
Στο παρελθόν, οι ερευνητές είχαν αναπτύξει συμπαγείς κρυστάλλους (bulk crystals) του υλικού και παρατήρησαν ασυνήθιστες κβαντικές καταστάσεις, αλλά οι συμπαγείς κρύσταλλοι είναι δύσκολοι στην επεξεργασία και η σύστασή τους μπορεί να διαφέρει από σημείο σε σημείο.
Μηχανική κβαντικών συσκευών
Οι τοπολογικοί υπεραγωγοί είναι πολλά υποσχόμενοι για την κατασκευή των κβαντικών διατάξεων του μέλλοντος — οι τοπολογικές τους καταστάσεις είναι εγγενώς σταθερές και ανθεκτικές στον «θόρυβο» που επηρεάζει τα περισσότερα κβαντικά υλικά.
Σε σύγκριση με άλλους υποψήφιους τοπολογικούς υπεραγωγούς, τα υπέρλεπτα υμένια σεληνιούχου τελλουρίου του σιδήρου που μελέτησε η ομάδα του Yang προσφέρουν αρκετά πλεονεκτήματα για αυτές τις εφαρμογές.
Λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες από ορισμένες ανταγωνιστικές πλατφόρμες —έως και τους 13 Κέλβιν, σε σύγκριση με περίπου 1 Κέλβιν για τα συστήματα που βασίζονται στο αλουμίνιο— γεγονός που καθιστά ευκολότερη την ψύξη τους με τυπικό υγρό ήλιο.
Η μορφή του υπέρλεπτου υμενίου είναι επίσης ευκολότερο να ελεγχθεί σε σχέση με τους συμπαγείς κρυστάλλους και είναι έτοιμη για χρήση στην κατασκευή διατάξεων. «Αν προσπαθείς να χρησιμοποιήσεις αυτό το υλικό για μια πραγματική εφαρμογή, πρέπει να μπορείς να το αναπτύξεις σε μορφή υμενίου, αντί να προσπαθείς να αποφλοιώσεις στρώματα από ένα πέτρωμα που μπορεί να μην έχει ομοιόμορφη σύσταση σε όλη του την έκταση», εξήγησε ο Lin.
Πολλαπλές ερευνητικές ομάδες συνεργάζονται ήδη με την ομάδα του Yang για τη χάραξη μοτίβων (patterning) στα υμένια και την κατασκευή κβαντικών διατάξεων. Οι επιστήμονες συνεχίζουν επίσης να χαρακτηρίζουν και άλλες ιδιότητες του σεληνιούχου τελλουρίου του σιδήρου σε μορφή υπέρλεπτου υμενίου.