Автор AZoNano 20 января 2021 г.

Почему важно изучение спиновых свойств одномерных квантовых нанопроволок

Квантовые нанопроволоки, имеющие длину, но не ширину или высоту, обеспечивают уникальную среду для образования и обнаружения квазичастиц, известных как нуль-мода Майорана .

Новое исследование под руководством UNSW преодолевает предыдущие трудности с обнаружением нулевого режима Майораны и дает значительное улучшение воспроизводимости устройства.

Потенциальные применения нулевых мод Майораны включают отказоустойчивые топологические квантовые компьютеры и топологическую сверхпроводимость.

Майорановские фермионы в 1d-проволоках

Майорановский фермион – это составная частица, которая сама по себе является античастицей.

Объяснение антивещества: Каждая фундаментальная частица имеет соответствующую частицу антивещества с той же массой, но противоположным электрическим зарядом. Например, античастица электрона (заряд -1) – позитрон (заряд +1)

Интерес к таким необычным частицам с академической и коммерческой точек зрения связан с их потенциальным использованием в топологическом квантовом компьютере, который, согласно прогнозам, не подвержен декогеренции, которая рандомизирует драгоценную квантовую информацию.

Нулевые моды Майораны могут быть созданы в квантовых проволоках, сделанных из специальных материалов, в которых существует сильная связь между их электрическими и магнитными свойствами.

В частности, нулевые моды Майорана могут быть созданы в одномерных полупроводниках (таких как полупроводниковые нанопроволоки) при соединении со сверхпроводником.

В одномерной нанопроволоке, размеры которой, перпендикулярные длине, достаточно малы, чтобы не допустить никакого движения субатомных частиц, преобладают квантовые эффекты.

Новый метод обнаружения необходимого спин-орбитального промежутка

Фермионы Майорана, которые являются собственными античастицами, теоретизировались с 1937 года, но экспериментально наблюдались только в последнее десятилетие. «Невосприимчивость» фермиона Майорана к декогеренции дает возможность использовать его для отказоустойчивых квантовых вычислений.

Одномерные полупроводниковые системы с сильным спин-орбитальным взаимодействием привлекают большое внимание из-за потенциальных приложений в топологических квантовых вычислениях.

Магнитный «спин» электрона подобен маленькому стержневому магниту, ориентацию которого можно установить с помощью приложенного магнитного поля.

В материалах со «спин-орбитальным взаимодействием» спин электрона определяется направлением движения даже при нулевом магнитном поле. Это позволяет выполнять все электрические манипуляции с магнитными квантовыми свойствами.

Приложение магнитного поля к такой системе может открыть энергетический зазор, так что все движущиеся вперед электроны будут иметь одинаковую спиновую поляризацию, а движущиеся назад электроны – противоположную поляризацию. Эта «спиновая щель» является предпосылкой для образования майорановских нулевых мод

Несмотря на интенсивную экспериментальную работу, оказалось чрезвычайно трудно однозначно обнаружить эту спиновую щель в полупроводниковых нанопроводах, поскольку характерную характеристику спиновой щели (провал на плато ее проводимости при приложении магнитного поля) очень трудно различить. от неизбежного фонового беспорядка в нанопроволоках.

Новое исследование обнаруживает новую однозначную сигнатуру спин-орбитального зазора, невосприимчивую к эффектам беспорядка, преследующим предыдущие исследования.

«Эта сигнатура станет де-факто стандартом для обнаружения спиновых промежутков в будущем», говорит ведущий автор доктор Карина Хадсон.

Воспроизводимость

Использование майорановских нулевых мод в масштабируемом квантовом компьютере сталкивается с дополнительной проблемой из-за случайного беспорядка и несовершенства самособирающихся нанопроволок, в которых размещается MZM.

Ранее было практически невозможно изготавливать воспроизводимые устройства, и только около 10% устройств функционировали с требуемыми параметрами.

Последние результаты UNSW демонстрируют значительное улучшение с воспроизводимостью результатов на шести устройствах на основе трех разных исходных пластин.

« Эта работа открывает новый путь к созданию полностью воспроизводимых устройств», говорит автор-корреспондент профессор Алекс Гамильтон UNSW).

Исследование

Новые признаки спиновой щели в квантовых точечных контактах были опубликованы в Nature Communications в январе 2021 года (DOI 10.1038 / s41467-020-19895-3)

.

Помимо поддержки Австралийского исследовательского совета, финансирование было получено от Deutsche Forschungsgemeinschaft, Британского исследовательского совета по инженерным и физическим наукам и Сиднейской квантовой академии.

Полупроводниковые кристаллы были выращены в Кембриджском университете и Рурском университете Бохума. Устройства были изготовлены и исследованы в UNSW в Сиднее. Теоретические исследования проводились в Массачусетском университете в Бостоне и университете Людвига-Максимилиана, Мюнхен

Источник: http://www.fleet.org.au/