null Topologinen suprajohde – uusi vaihtoehto kubittien rakennusaineeksi

Majorana-tila syntyy suprajohteen ja magneetin vuorovaikutuksesta. Kuva: Alex Tokarev, Ella Maru Studio.

Topologinen suprajohde – uusi vaihtoehto kubittien rakennusaineeksi

Kvanttitietokoneissa käytetyt suprajohtavat kubitit pystyvät äärimmäisen nopeisiin ja vaikeisiin laskutoimituksiin, mutta niillä on myös heikko puolensa: kvantti-informaatio haihtuu niistä hyvin nopeasti, mikä rajoittaa käytännön laskutoimituksia.

Nyt teoreettiset ja kokeelliset fyysikot ovat yhteistyössä onnistuneet luomaan uudenlaisen materiaalin, topologisen suprajohteen, jota voidaan tulevaisuudessa käyttää kubittien rakennusaineena. Tutkimustulokset julkaistiin joulukuussa 2020 Nature-lehdessä.

Tutkijat loivat uuden materiaalin yhdistämällä hyvin ohuen kerroksen suprajohtavaa ja magneettista materiaalia. Niiden rajapinnalle syntyi Majorana-hiukkanen, jonka olemassaolon Ettore Majorana ennusti teoreettisesti jo vuonna 1937. Majorana-hiukkanen on samalla oma antihiukkasensa eli sillä on tietyt vastakkaiset ominaisuudet ja sen varaus on nolla.

– Nyt luotua uutta, hyvin ohutta materiaalia voidaan käyttää niin sanottujen topologisten kubittien rakentamiseen. Kvantti-informaatio säilyy näissä kubiteissa solmun kaltaisessa muodossa, kahden Majorana-hiukkasen kietoutuessa toisiinsa, kertoo Aalto-yliopiston professori Peter Liljeroth.

Majorana-hiukkasia ei ole vielä löydetty luonnosta, mutta niitä voidaan luoda keinotekoisesti. Tämä tarkoittaa materiaalissa olevien elektronien huijaamista kvanttimekaniikan avulla siten, että joukko elektroneja käyttäytyy kuin Majorana-hiukkanen. 

Normaalisti suprajohtavuus ja magnetismi ovat toisilleen vastakkaisia ilmiöitä: materiaalit, jotka ovat suprajohteita eivät ole magneettisia ja magneetit eivät ole suprajohteita. Lisäksi suprajohtavat materiaalit lakkaavat suprajohtamasta, kun ne joutuvat kosketuksiin magneetin kanssa. 

– Suprajohtavan ja magneettisen materiaalin väliset vuorovaikutukset muuttavat niiden ominaisuuksia, mutta Majorana-tilojen luomiseksi materiaalien tarvitsee olla vuorovaikutuksessa vain vähän. Majorana-hiukkasille tarvittavat ominaisuudet pääsevät syntymään tässä vähäisessä vuorovaikutuksessa, mutta materiaalit säilyttävät samalla alkuperäiset ominaisuutensa, sanoo tutkijatohtori Shawulienu Kezilebieke.

Tutkijat kasvattivat ohuita materiaalikerroksia molekyylisuihkuepitaksia-menetelmällä ja käyttivät niiden rakenteen ja sähköisten ominaisuuksien mittaamiseen pyyhkäisytunnelointimikroskooppia.

CSC:n resurssit mukana mallinnuksessa

Atomitason tietokonemallinnuksesta vastasivat Aalto-yliopiston professori Adam Foster ja Tampereen yliopiston professori Teemu Ojanen. Tutkimuksessa käytettiin CSC:n Puhti-supertietokonetta.

– Tietokonesimulaatioiden avulla voidaan kuvata ja ymmärtää ominaisuuksia, joita ei voi suoraan kokeellisesti mitata. Perusteellinen tietokonesimulaatio oli tutkimuksessa tarpeen sen todistamiseksi, että mikroskoopilla mitattu virtasignaali aiheutui juuri Majorana-tilasta, sanoo Adam Foster.

– Tiheysfunktionaaliteorian (DFT) avulla ymmärsimme miten elektronit käyttäytyvät nyt tutkitussa kemiallisessa ympäristössä, jossa kaksiulotteinen magneettikerros (CrBr3) liitetään suprajohteeseen (NbSe2). DFT-laskujen avulla pystyimme tunnistamaan joitain rakenteellisia parametreja, kuten parhaimman sijainnin, missä yksi kerros asettuu toisen päälle, ja ymmärtämään miten elektroniset ominaisuudet muuttuvat, kun nämä kaksi materiaalia tuodaan lähelle toisiaan. Tämä auttoi meitä ymmärtämään, että tässä rakenteessa oli joitain tärkeimpiä ainesosia Majorana-hiukkasen syntymiseen, ja DFT-tuloksia käytettiin syötteenä, kun tätä eksoottista tilaa tutkittiin toisella menetelmällä, Adam Foster jatkaa.

– Topologisissa suprajohteissa elektronien vuorovaikutukset synnyttävät Majorana-hiukkasia ja viritystiloja. Tiiviin aineen Majorana-hiukkasilla on ennustettu olevan luonnossa tavattavista alkeishiukkaista poikkeavia ominaisuuksia, joiden takia niitä on kaavailtu kvanttitietokoneiden rakennuskomponenteiksi eli kvanttibiteiksi, kertoo professori Teemu Ojanen Tampereen yliopistosta. 

– Topologista suprajohtavuutta on vaikea havaita suoraan, mutta sen olemassaolosta kielivät Majorana-hiukkaset. Nyt havaittu signaali Majorana-hiukkasista kerrosrakenteissa on vakuuttava ja erittäin hyvin sopusoinnussa teorian kanssa, summaa Teemu Ojanen.
 
Jatkossa tutkijoiden tavoitteena on laajentaa nykyisiä tuloksia toteuttamalla rakenteita, joissa Majorana-hiukkasia voidaan kontrolloidusti säätää ulkoisin kentin. Nämä edistysaskeleet ovat edellytyksiä sille, että topologiset suprajohteet voisivat löytää tiensä jonain päivänä sovelluksiin. 


Artikkelin lähteinä on käytetty Adam Fosterin haastattelua ja Aalto-yliopiston ja Tampereen yliopiston tiedotteita.
 

Kezilebieke, S., Huda, M.N., Vaňo, V. et al. Topological superconductivity in a van der Waals heterostructure. Nature 588, 424–428 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2989-y

Lisää tästä aiheesta » Siirry sisältöihin ja uutisiin »

Tommi Kutilainen