Quanteneinbahnstraße in topologischen Isolator-Nanodrähten

Quanteneinbahnstraße in topologischen Isolator-Nanodrähten

Das Anlegen eines Magnetfelds bewirkt, dass Strom leichter in eine Richtung entlang des Nanodrahts fließt als in die entgegengesetzte. Quelle: Universität Basel, Departement Physik

Sehr dünne Drähte aus einem topologischen Isolator könnten hochstabile Qubits ermöglichen, die Bausteine ​​zukünftiger Quantencomputer. Wissenschaftler sehen ein neues Ergebnis bei topologischen Isolatorvorrichtungen als wichtigen Schritt zur Realisierung des Potenzials der Technologie.

Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern hat gezeigt, dass Drähte mehr als 100-mal dünner sind als ein menschliches Haar kann wie eine Quanten-Einbahnstraße für Elektronen wirken, wenn es aus einem besonderen Material besteht, das als a bekannt ist Topologischer Isolator.

Die Entdeckung ebnet den Weg für neue technologische Anwendungen von Geräten aus topologischen Isolatoren und zeigt einen bedeutenden Schritt auf dem Weg zu sogenannten topologischen Qubits, von denen vorhergesagt wurde, dass sie Informationen für einen Quantencomputer robust kodieren können.

Um dieses Ergebnis zu erzielen, arbeiteten die Gruppen von Professor Dr. Jelena Klinovaja und Professor Dr. Daniel Loss an der Universität Basel eng mit Experimentalphysikern an der Universität zu Köln in der Gruppe von Professor Dr. Yoichi Ando zusammen. Ihre Studie wurde jetzt in veröffentlicht Natur Nanotechnologie.

Topologische Isolatoren sind Materialien, bei denen eine Kombination aus Quantenmechanik und dem mathematischen Konzept der Topologie leitfähige Oberflächen und isolierende Innenräume erzeugt. Topologische Isolatoren sind vielversprechende Kandidaten für zukünftige Technologien und als potenzielle Plattformen für Quantencomputing.

Die Forscher konnten zeigen, dass unter den richtigen Umständen elektrische Ströme kann leichter in eine Richtung fließen als in die andere, ein Prozess, der als Rektifikation bekannt ist. Die Gleichrichtung bietet ein breites Anwendungsspektrum und bildet die Grundlage der meisten drahtlosen Technologien.

Gleichrichter, die beispielsweise in Smartphones zu finden sind, bestehen heute aus Halbleiterdioden. Der in topologischen Isolator-Nanodrähten entdeckte Stromgleichrichtungseffekt entsteht jedoch als Ergebnis der Quantenmechanik und ist extrem kontrollierbar.

Normalerweise entstehen Quantengleichrichtungseffekte als Ergebnis von etwas, das als bekannt ist Spin-Bahn-Kopplung, die eine Mischung aus Quantenmechanik und Einsteins Relativitätstheorie ist. Wie zu erwarten ist, führt diese seltsame Mischung normalerweise zu winzigen Gleichrichtungseffekten.

„Das Tolle an den topologischen Isolator-Nanodrähten ist, dass wir im Wesentlichen die gleiche Physik künstlich erzeugen können, aber mit einer viel größeren Größenordnung“, sagt Dr. Henry Legg, Georg H. Endress Postdoktorand an der Universität Basel und Erstautor der Arbeit. „Das führt zu einem im Vergleich zu anderen Materialien enormen Gleichrichtungseffekt. Das ist auch einer der Aspekte, die topologische Isolatoren für Anwendungen im Quantencomputing so spannend machen.“

Jenseits des Ohmschen Gesetzes

Das Ohmsche Gesetz besagt, dass der durch ein Gerät fließende Strom durch den Spannungsabfall darüber und eine als Widerstand bekannte Größe bestimmt wird. Wenn jedoch die Quantenmechanik im Spiel ist, muss das Ohmsche Gesetz manchmal korrigiert werden.

Insbesondere wenn ein Material oder ein Gerät nicht gleich aussieht, wenn alle seine räumlichen Eigenschaften gespiegelt werden – so genannte gebrochene räumliche Inversionssymmetrie –, wendet man a Magnetfeld bedeutet, dass die Quantenversion des Ohmschen Gesetzes es dem Strom ermöglicht, leichter in eine Richtung zu fließen als in die andere. Die Größe der Stromgleichrichtung wird durch die Differenz der Widerstände in jeder Richtung bestimmt.

Der hohe Grad an Kontrolle, der bei topologischen Isolatorvorrichtungen möglich ist, ermöglichte es dem Forscherteam, im Vergleich zu dem, was zuvor beobachtet wurde, einen wahrhaft gigantischen Gleichrichtungseffekt zu erzielen.

Robuste Quanteninformation

Quantencomputer versprechen eine nie dagewesene Rechenleistung, sind aber sehr anfällig für den Einfluss der äußeren Umgebung. Eine vorgeschlagene Lösung für die Fragilität von Quanteneinheiten von Informationen – sogenannte Qubits – sind topologische Qubits, von denen vorhergesagt wird, dass sie weitaus stabiler gegen die Einflüsse der äußeren Umgebung sind. Dieser Schutz ergibt sich auch aus der Mathematik der Topologie, die den Eigenschaften topologischer Isolatoren zugrunde liegt.

Topologische Isolatoren gelten seit langem als gute Kandidaten für die Basis topologischer Quantencomputer. Allerdings gute Kontrolle über topologische Isolator Geräte ist unerlässlich, um topologische Qubits erzeugen zu können.

„Unsere Studie hat nicht nur einen einzigartigen und sehr großen Quanteneffekt entdeckt, sondern zeigt auch, dass wir ein hervorragendes Verständnis dafür haben, was in diesen Systemen passiert Weg zur Herstellung topologischer Qubits”, sagt Professorin Dr. Jelena Klinovaja von der Universität Basel.


Erstes hybrides Quantenbit basierend auf topologischen Isolatoren


Mehr Informationen:
Henry Legg, Riesenmagnetochirale Anisotropie aus quantenbegrenzten Oberflächenzuständen von topologischen Isolator-Nanodrähten, Natur Nanotechnologie (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01124-1. www.nature.com/articles/s41565-022-01124-1

Zur Verfügung gestellt von
Universität Basel


Zitieren: Quantum one-way street in topological insulator nanowires (2022, 12. Mai), abgerufen am 13. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-quantum-one-way-street-topological-insulator.html

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