Исследования обнаружили неопровержимые доказательства, подтверждающие работу нового класса материалов, которые могут сделать возможными «спинтронные» устройства и практические квантовые компьютеры, намного более мощные, чем сегодняшние технологии.
Материалы называются «топологическими изоляторами». В отличие от обычных материалов, которые являются либо изоляторами, либо проводниками, топологические изоляторы в некотором смысле являются и тем и другим одновременно - они являются изоляторами внутри, но всегда проводят электричество через поверхность. В частности, исследователи сообщили о наиболее яркой демонстрации таких, казалось бы, парадоксальных свойств проводимости и наблюдали «полуцелочисленный квантовый эффект Холла» на поверхности топологического изолятора.
«Это недвусмысленное неопровержимое доказательство, подтверждающее теоретические предсказания о проводимости электронов в этих материалах», - сказал аспирант Университета Пердью Ян Сюй, ведущий автор статьи, опубликованной на этой неделе в журнале Nature Physics.
Йонг П. Чен, адъюнкт-профессор Purdue по физике и астрономии, электротехнике и компьютерной инженерии, возглавлял группу исследователей из Purdue, Принстонского университета и Техасского университета в Остине для изучения материала на основе висмута.
«Эта экспериментальная система обеспечивает прекрасную платформу для исследования множества экзотических физических и новых устройств, предсказанных для топологических изоляторов», - сказал Чен.
Например, путем дальнейшего комбинирования топологических изоляторов со сверхпроводником, который проводит электричество без сопротивления, исследователи могут создать практичный квантовый компьютер. Такая технология будет выполнять вычисления с использованием законов квантовой механики, что сделает компьютеры намного быстрее, чем обычные компьютеры, в определенных задачах, таких как поиск в базе данных и взлом кода..
«Одна из основных проблем с прототипами квантовых компьютеров, разработанных до сих пор, заключается в том, что они склонны к ошибкам», - сказал Чен. «Но при топологической защите существует механизм, который принципиально подавляет эти ошибки, что приводит к надежному способу выполнения квантовых вычислений».
Топологические изоляторы были синтезированы в Purdue и изготовлены в виде электрических устройств в Центре нанотехнологий Birck в университетском парке Дискавери.
Исследователи впервые продемонстрировали трехмерный материал с электрическим сопротивлением, не зависящим от толщины материала, что является отклонением от обычного поведения. В то время как электроны обычно имеют массу, в случае топологических изоляторов проводящие электроны на поверхности не имеют массы и автоматически «поляризуются по спину», что приводит к наблюдаемому уникальному полуцелому квантовому эффекту Холла, а также делает материал перспективным для различных потенциалов. Приложения.
Топологические изоляторы могут принести будущие вычислительные платформы, основанные на «спинтронике». Обычные компьютеры используют наличие и отсутствие электрических зарядов для представления единиц и нулей в двоичном коде, необходимом для выполнения вычислений. Однако спинтроника использует «спиновое состояние» электронов для представления единиц и нулей.
Соединения на основе висмута, сурьмы, теллурида и селенида являются самыми чистыми и наиболее естественными топологическими изоляторами, продемонстрированными до сих пор, без измеримого количества нежелательной проводимости внутри объема, которая часто портит свойства топологической проводимости в более ранних материалах топологических изоляторов., - сказал Чен.
Исследователи также обнаружили доказательства того, что проводимость электронов является «топологически защищенной», что означает, что его поверхность гарантированно является надежным проводником. Изучая образцы в форме тонких пластин, вырезанных из этого материала до постоянно уменьшающейся толщины, наблюдая за проводимостью, исследователи обнаружили, что проводимость, которая всегда и только на поверхности, почти не меняется.
«Для самых тонких образцов такие свойства топологической проводимости наблюдались даже при комнатной температуре, что проложило путь для их практического применения», - сказал Сюй.
Автор статьи Сюй; научный сотрудник Purdue Иренеуш Миотковски, создавший высококачественные материалы; Принстонский постдокторский научный сотрудник Чанг Лю; Постдокторский научный сотрудник Purdue Джифа Тиан; аспирант UT Austin Хёндо Нам; аспирант Принстона Нассер Алидуст; аспирант Purdue Цзюнин Ху; Чжи-Кан Ши, Джейн и Роланд Блумберг, профессор UT Austin; М. Захид Хасан, профессор физики из Принстона; и Чен.
В дополнение к росту материала и электрическим измерениям, выполненным исследователями Purdue, группы из Принстона и Техасского университета в Остине внесли свой вклад в это исследование, выполнив расширенные характеристики, которые дополнительно подтвердили важные свойства материала как топологического изолятора.
Исследование финансировалось Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны, которое поддерживает программу Purdue с участием Принстона и других учреждений, направленную на разработку энергоэффективных электронных устройств на основе топологических изоляторов. Электрические измерения, выявляющие сигнатурный полуцелый квантовый эффект Холла, были выполнены в Национальной лаборатории сильного магнитного поля Национального научного фонда. Вклад UT Остина в это исследование был поддержан Фондом Уэлча и Исследовательским бюро армии США.