量子计算机承诺执行非常重要的操作,据信这对我们今天的技术来说是不可能的。当前的计算机通过携带两个信息单元之一的晶体管来处理信息,这两个信息单元是1或0.量子计算基于逻辑单元的量子力学行为。每个量子单元或“量子比特”可以以量子叠加存在而不是取离散值。量子计算的最大障碍是量子比特本身 - 创建足够强大的逻辑单元以承载指令而不受周围环境影响和产生的错误是一项持续的科学挑战。

物理学家推测,一种称为三维(3-D)拓扑绝缘体(TI)的新型材料可能是一个很好的候选材料,可以从中创建可以抵御这些误差的量子比特并防止丢失其量子信息。这种材料既有绝缘内部,也有导电的金属顶部和底部表面。三维拓扑绝缘体最重要的特性是预测导电表面不受周围环境的影响。很少有研究能够通过实验测试TI在现实生活中的表现。

犹他大学的一项新研究发现,事实上,当绝缘层薄至16个五元原子层时,顶部和底部金属表面开始相互影响并破坏其金属性质。实验表明,相反的表面开始在比以前的研究所示更厚的绝缘内部相互影响,可能接近一种罕见的理论现象,其中金属表面在内部变薄时也变得绝缘。

“拓扑绝缘体可能是未来量子计算的重要材料。我们的研究结果揭示了该系统的新局限,”犹他大学物理学助理教授,该研究的通讯作者Vikram Deshpande说。“与拓扑绝缘子一起工作的人需要知道他们的极限是什么。事实证明,当你接近这个极限时,当这些表面开始”相互交谈“时,新的物理现象出现了,这本身也很酷。”

这项新研究于2019年7月16日发表在“ 物理评论快报”上。

由拓扑绝缘体构建的邋three三明治

Deshpande说,想象一下作为三维拓扑绝缘体的精装教科书。书的大部分是页面,它是绝缘层 - 它不能导电。精装本身代表金属表面。十年前,物理学家发现这些表面可以导电,并且出现了一个新的拓扑领域。

Deshpande和他的团队通过将五种不同材料的几个原子薄层堆叠成松散的三明治结构,使用3-D TI制造器件。三明治的体芯是拓扑绝缘体,由几个五层锑锑硒(Bi2-xSbxTe3-ySey)制成。该芯由几层氮化硼夹在中间,上面和下面是两层石墨。石墨的作用类似于金属栅极,主要产生两个控制导电性的晶体管。去年,Deshpande领导了一项研究,该研究表明,这种拓扑配方可以制造出与您期望的相似的装置 - 保护金属表面免受周围环境影响的大型绝缘体。

在这项研究中,他们操纵了3-D TI器件,以了解性能如何变化。首先,他们建造了范德瓦尔异质结构 - 那些草率的三明治 - 并将它们暴露在磁场中。Deshpande的团队在犹他大学的实验室测试了许多人,第一作者Su Kong Chong,U的博士候选人,前往塔拉哈西的国家高磁场实验室,使用其中一个最高的磁场进行相同的实验。国家。在存在磁场的情况下,从金属表面出现棋盘图案,显示电流在表面上移动的路径。棋盘由量化的电导率与两个门上的电压组成,是明确定义的,网格在整齐的交叉点相交,

它们开始于100纳米厚的绝缘层,约为人类头发直径的千分之一,并逐渐变薄至10纳米。图案开始扭曲,直到绝缘层厚度为16纳米,当交叉点开始破裂时,产生间隙,表明表面不再导电。

“从本质上讲,我们已经在这个参数空间中创造了金属化的东西。这个实验的关键在于我们可以控制地改变这些表面之间的相互作用,”Deshpande说。“我们从完全独立和金属开始,然后开始让它们越来越近,直到它们开始'说话',当它们真的很接近时,它们基本上是跳出来并变得绝缘。”

2010年和2012年的先前实验也观察到金属表面上的能隙,因为绝缘材料变薄。但是那些研究得出的结论是,能量间隙出现的绝缘层要薄得多 - 大小为5纳米。该研究观察到金属表面特性在更大的内部厚度下分解,最高可达16纳米。其他实验使用了不同的“表面科学”方法,他们通过带有非常尖锐的金属尖端的显微镜观察材料,分别观察每个原子或用高能光学研究它们。

“这些是非常复杂的实验,与我们正在进行的设备创建相去甚远,”Deshpande说。

接下来,Deshpande和团队将更密切地研究在物理上创造表面能隙的物理学。他预测,根据材料厚度,这些间隙可以是正的或负的。