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维克拉姆·德什潘德,物理学和天文学系助理教授(左)和博士候选人苏孔冲(右)站在
维克拉姆·德什潘德,物理天文系助理教授(左)和博士生苏孔冲(右)站在“校园最酷的实验室”里,德什潘德领导的实验室可以在-273.15_C(-459.67_F)下将拓扑材料冷却到略高于绝对零度的分数。它实际上是校园里最冷的实验室。

摘要:
量子计算机承诺将执行被认为对我们今天的技术来说不可能的非常重要的操作。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,1或0。量子计算是基于逻辑单元的量子力学行为。每个量子单位,或者“量子比特”,可以存在于量子叠加中,而不是取离散值。量子计算的最大障碍是量子位元本身——创建足够强大的逻辑单元来承载指令,而不受周围环境和由此产生的错误的影响,这是一项持续的科学挑战。

有前途的量子计算材料暴露出的局限性:由于拓扑绝缘体变薄,金属表面不再受到保护

盐湖城,于7月19日发布2019年

物理学家理论上认为一种新的材料,称为三维拓扑绝缘体(Ti)。可能是一个很好的候选者,从中创造出能够抵御这些错误并防止丢失量子信息的量子比特。这种材料有一个绝缘的内部和金属顶部和底部表面导电。三维拓扑绝缘体最重要的特性是预测导电表面不会受到周围环境的影响。在现实生活中,很少有研究通过实验来测试这种行为。

犹他大学的一项新研究发现,当绝缘层的厚度达到16个原子层的五倍时,顶部和底部金属表面开始相互影响,并破坏其金属性能。实验表明,相反的表面开始在一个比以前研究显示的更厚的绝缘内部相互影响,可能接近一种罕见的理论现象,即随着内部变薄,金属表面也变得绝缘。

拓扑绝缘体可能是未来量子计算中的一种重要材料。我们的发现揭示了这个系统的一个新的局限性,”Vikram Deshpande说,犹他大学物理学助理教授和该研究的相应作者。“使用拓扑绝缘体的人需要知道他们的极限是什么。当你接近极限时,当这些表面开始互相“交谈”时,新物理学出现了,它本身也很酷。”

7月16日发表的新研究,2019年发表在《物理评论快报》上。

由拓扑绝缘体做成的松软三明治

想象一本精装书是三维拓扑绝缘体,德什潘德说。书的大部分都是书页,它是一个绝缘体层,不能导电。精装书本身代表金属表面。十年前,物理学家发现这些表面可以导电,一个新的拓扑域诞生了。

Deshpande和他的团队利用三维技术将五层不同材料的原子薄层叠加到松散的三明治状结构中,从而创造出一种设备。三明治的体积核心是拓扑绝缘体,由五层铋锑碲硒化物(Bi2-xSbxte3-ysey)制成。这个核心夹着几层氮化硼,最后是两层石墨,在上面和下面。石墨就像金属门,基本上制造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,这种拓扑结构构建了一种可以像你所期望的那样工作的设备——大块绝缘体,可以保护金属表面免受周围环境的影响。

在这项研究中,他们操纵3-D钛器件来观察其性能是如何变化的。第一,他们建造了范德瓦尔异质结构——那些马虎的三明治——并将它们暴露在磁场中。德什潘德的团队在犹他大学的实验室里测试了很多,第一作者苏孔冲,美国博士研究生,前往塔拉哈西的国家高磁场实验室,利用该国最高磁场之一进行相同的实验。在磁场的存在下,金属表面出现棋盘图案,显示电流在表面移动的路径。棋盘,由两个门上的量子化电导和电压组成,定义明确,网格在整齐的交叉点相交,允许研究人员跟踪表面的任何变形。

他们从100纳米厚的绝缘体层开始,大约是人类头发直径的千分之一,逐渐变薄到10纳米。这种模式开始扭曲,直到绝缘体层厚达16纳米,当交叉点开始断裂时,形成一个表明表面不再导电的间隙。

“基本上,我们已经在那个参数空间中制造了一些金属材料,形成了绝缘材料。这个实验的要点是我们可以控制地改变这些表面之间的相互作用。“我们从它们完全独立和金属开始,然后开始让他们越来越接近,直到他们开始“交谈”,当他们真正接近时,它们基本上是张开的,并且是绝缘的。”

此前在2010年和2012年进行的实验也观察到,随着绝缘材料逐渐变薄,金属表面上的能隙也随之缩小。但这些研究得出的结论是,能量间隙出现了更薄的绝缘层——5纳米大小。这项研究观察到金属表面特性在更大的内部厚度下分解,高达16纳米。其他的实验使用了不同的“表面科学”方法,他们通过一个带有非常锋利金属尖端的显微镜观察每一个原子,或者用高能光研究它们。

Deshpande说:“这些实验非常复杂,与我们正在进行的设备创建工作相差甚远。”

下一步,Deshpande和他的团队将更仔细地研究在表面上产生能量间隙的物理现象。他预测,根据材料厚度,这些间隙可以是正的,也可以是负的。

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参与这项研究的其他作者还有来自美国材料科学与工程部的KyuBumHan和TaylorSparks。

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