新型拓扑超导体优化的量子计算机稳定性

美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员开创了一种尖端的拓扑超导体，可以增强量子计算机的稳定性——这是该技术的主要限制。

该团队创新了一种新方法，将两种具有特殊电学特性的材料——单层超导体和拓扑绝缘体——融合在一起。这种组合提供了一个最佳平台来研究一种不寻常的超导性，称为拓扑超导性，这可以为拓扑量子计算机铺平道路，这种计算机比传统技术更稳定。

该团队的研究题为“外延 Bi 2 Se 3 /单层 NbSe 2 异质结构中从 Ising 到 Rashba 型超导的交叉” ，发表在Nature Materials 上。

开发拓扑超导体

超导体用于各种技术，包括强大的磁铁、数字电路和成像。它们允许电流无阻力地通过。相比之下，拓扑绝缘体是只有几个原子厚的薄膜，可以限制电子的运动，从而产生独特的特性。宾夕法尼亚州立大学的研究人员现在已经开发出一种配对这两种材料的方法。

宾夕法尼亚州立大学物理学副教授、研究团队负责人 Cui-Zu Chang 评论说：“量子计算的未来取决于一种我们称之为拓扑超导体的材料，它可以通过结合拓扑绝缘体形成。使用超导体，但是将这两种材料结合起来的实际过程具有挑战性。

“在这项研究中，我们使用了一种称为分子束外延的技术来合成拓扑绝缘体和超导薄膜，并创建二维异质结构，这是探索拓扑超导现象的绝佳平台。”

先前尝试合并这两种材料的结果很差，因为薄膜中的超导性通常在拓扑绝缘体层在顶部生长后消失。专家们已经能够将拓扑绝缘体薄膜应用到三维“体”超导体上，并保留这两种材料的特性。然而，拓扑超导体的应用，例如智能手机和量子计算机的低功耗芯片，将需要是二维的。

研究人员克服了这些问题，通过在由单层二硒化铌 (NbSe2) 组成的超导薄膜上堆叠不同厚度的由硒化铋 (Bi2Se3) 制成的拓扑绝缘体薄膜来创新二维拓扑超导体。该团队通过在非常低的温度下合成异质结构成功地保留了拓扑和超导特性。

宾夕法尼亚州立大学 Chang 研究组的博士后、论文的第一作者易和眠解释说：“在超导体中，电子形成‘库珀对’，可以零电阻流动，但强磁场会破坏这些对。 .

“我们使用的单层超导薄膜以其‘伊辛型超导性’而闻名，这意味着库珀对对面内磁场非常稳健。我们还期望在我们的异质结构中形成的拓扑超导相以这种方式是稳健的。”

解决量子计算机稳定性问题

研究人员发现，通过调整拓扑层的厚度，异质结构从 Ising 型超导（电子自旋垂直于薄膜）转变为 Rashba 型超导（电子自旋平行于薄膜）。他们还在理论计算和模拟中观察到这种现象。

这种异质结构可能是探索马约拉纳费米子的理想平台——这是一种神秘的粒子，有助于开发比以前版本的技术更稳定的拓扑量子计算机。

Change 总结道：“这是探索拓扑超导体的绝佳平台，我们希望在我们的持续工作中找到拓扑超导性的证据。一旦我们获得了拓扑超导性的确凿证据并证明了马约拉纳物理学，那么这种类型的系统就可以适用于量子计算和其他应用。”

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