Физики предположили, что новый тип материала, называемый трехмерным (3-D) топологическим изолятором (TI), может быть хорошим кандидатом для создания кубитов, устойчивых к этим ошибкам и защищенных от потери квантовой информации. Этот материал имеет как изолирующую внутреннюю часть, так и металлические верхнюю и нижнюю поверхности, которые проводят электричество.
Наиболее важным свойством трехмерных топологических изоляторов является то, что проводящие поверхности должны быть защищены от влияния окружающей среды. Существует несколько исследований, в которых экспериментально проверялось, как ТИ ведут себя в реальной жизни.
Новое исследование, проведенное в Университете штата Юта, показало, что на самом деле, когда изолирующие слои имеют толщину всего 16 пяти атомных слоев в поперечнике, верхняя и нижняя металлические поверхности начинают влиять друг на друга и разрушать свои металлические свойства. Эксперимент показывает, что противоположные поверхности начинают влиять друг на друга в гораздо более толстой изолирующей внутренней части, чем показали предыдущие исследования, возможно приближаясь к редкому теоретическому явлению, при котором металлические поверхности также становятся изолирующими, поскольку внутренняя часть утончается.
"Топологические изоляторы могут стать важным материалом в квантовых вычислениях будущего. Наши результаты выявили новое ограничение в этой системе », – сказал Викрам Дешпанде, доцент физики Университета Юты и автор-корреспондент. «Люди, работающие с топологическими изоляторами, должны знать, каковы их пределы. Оказывается, по мере приближения к этому пределу, когда эти поверхности начинают «разговаривать» друг с другом, появляется новая физика, что само по себе довольно круто."
Новое исследование опубликовано 16 июля 2019 года в журнале Physics Review Letters.
Неаккуратные бутерброды из топологических изоляторов
«Представьте себе учебник в твердом переплете как трехмерный топологический изолятор», – сказал Дешпанде. Основную часть книги составляют страницы, которые представляют собой изолирующий слой – он не может проводить электричество. Сами обложки представляют собой металлические поверхности.
Десять лет назад физики обнаружили, что эти поверхности могут проводить электричество, и родилось новое топологическое поле.
Дешпанде и его команда создали устройства, используя трехмерные ИП, сложив пять слоев различных материалов толщиной в несколько атомов в небрежные сэндвич-структуры. Основная часть сэндвича представляет собой топологический изолятор, состоящий из нескольких пяти слоев селенида теллура и сурьмы висмута (Bi2-xSbxTe3-ySey). Эта сердцевина зажата несколькими слоями нитрида бора и завершена двумя слоями графита, сверху и снизу.
Графит работает как металлические ворота, по сути создавая два транзистора, контролирующих проводимость. В прошлом году Дешпанде провел исследование, которое показало, что этот топологический рецепт позволил создать устройство, которое ведет себя так, как вы ожидаете, – объемные изоляторы, защищающие металлические поверхности от окружающей среды.
В этом исследовании они манипулировали устройствами 3-D TI, чтобы увидеть, как меняются свойства. Во-первых, они построили гетероструктуры Ван-дер-Вааль – эти неаккуратные бутерброды – и подвергли их воздействию магнитного поля. Команда Дешпанде провела множество испытаний в своей лаборатории в Университете штата Юта, а первый автор Су Конг Чонг, докторант Университета штата Калифорния, поехал в Национальную лабораторию сильного магнитного поля в Таллахасси, чтобы провести там те же эксперименты, используя одно из самых сильных магнитных полей в мире. страна.
В присутствии магнитного поля на металлических поверхностях появлялся узор в виде шахматной доски, показывая пути, по которым электрический ток будет перемещаться по поверхности. Шахматные доски, состоящие из квантованной проводимости в зависимости от напряжений на двух воротах, четко определены, с сеткой, пересекающейся в точных точках пересечения, что позволяет исследователям отслеживать любые искажения на поверхности.
Они начали с изоляционного слоя толщиной 100 нанометров, примерно одну тысячную диаметра человеческого волоса, и постепенно стали тоньше до 10 нанометров. Рисунок начал искажаться, пока слой изолятора не стал толщиной 16 нанометров, когда точки пересечения начали разрушаться, создавая зазор, который указывал на то, что поверхности больше не были проводящими.
"По сути, мы превратили что-то металлическое во что-то изолирующее в этом пространстве параметров.
Суть этого эксперимента в том, что мы можем контролируемым образом изменять взаимодействие между этими поверхностями », – сказал Дешпанде. «Мы начинаем с того, что они полностью независимые и металлические, а затем начинаем сближать их, пока они не начнут« разговаривать », а когда они действительно близки, они, по сути, становятся изолирующими."
Предыдущие эксперименты в 2010 и 2012 годах также наблюдали энергетическую щель на металлических поверхностях, поскольку изоляционный материал истончается.
Но эти исследования пришли к выводу, что энергетическая щель возникла из-за гораздо более тонких изолирующих слоев – размером пять нанометров. Это исследование показало, что свойства металлической поверхности разрушаются при гораздо большей внутренней толщине, до 16 нанометров.
В других экспериментах использовались различные методы «науки о поверхности», где они наблюдали материалы через микроскоп с очень острым металлическим наконечником, чтобы рассматривать каждый атом индивидуально, или изучали их с помощью высокоэнергетического света.
«Это были чрезвычайно сложные эксперименты, которые довольно далеки от создания устройства, которое мы делаем», – сказал Дешпанде.
Затем Дешпанде и его команда более внимательно изучат физику, создающую этот энергетический разрыв на поверхностях. Он предсказывает, что эти зазоры могут быть положительными или отрицательными в зависимости от толщины материала.
Другие авторы, которые участвовали в исследовании, – Кю Бом Хан и Тейлор Спаркс из Департамента материаловедения и инженерии США.