Οι σημερινοί ισχυρότεροι υπολογιστές δυσκολεύονται σε ορισμένα προβλήματα, όπως ο σχεδιασμός νέων φαρμάκων ή η αποκρυπτογράφηση σύνθετων κωδίκων. Οι κβαντικοί υπολογιστές χωρίς σφάλματα υπόσχονται λύσεις, όμως απαιτούν υλικά με εξωτικές ιδιότητες τοπολογικών υπεραγωγών, τα οποία είναι εξαιρετικά δύσκολο να παραχθούν.
Ερευνητές από το University of Chicago και το West Virginia University ανέπτυξαν έναν τρόπο δημιουργίας τέτοιων υλικών απλώς τροποποιώντας μια χημική «συνταγή». Μεταβάλλοντας την αναλογία τελλουρίου και σεληνίου σε υπέρλεπτα υμένια, κατάφεραν να αλλάξουν τις αλληλεπιδράσεις πολλών ηλεκτρονίων και να οδηγήσουν το υλικό σε επιθυμητές κβαντικές καταστάσεις.
Ο έλεγχος των ηλεκτρονικών συσχετίσεων
Καθώς αλλάζει η αναλογία των δύο στοιχείων, μεταβάλλεται και ο τρόπος με τον οποίο τα ηλεκτρόνια επηρεάζουν το ένα το άλλο. Αυτό λειτουργεί σαν ένας ιδιαίτερα ευαίσθητος μηχανισμός ρύθμισης για τη δημιουργία εξωτικών κβαντικών φάσεων.
Ο Haoran Lin σημείωσε:
«Μπορούμε να ρυθμίσουμε αυτό το φαινόμενο συσχέτισης σαν διακόπτη. Αν είναι πολύ ισχυρό, τα ηλεκτρόνια ακινητοποιούνται. Αν είναι πολύ ασθενές, το υλικό χάνει τις ιδιαίτερες τοπολογικές ιδιότητές του. Στο σωστό επίπεδο όμως προκύπτει ένας τοπολογικός υπεραγωγός».
Ο Shuolong Yang πρόσθεσε:
«Αυτό ανοίγει μια νέα κατεύθυνση στην έρευνα των κβαντικών υλικών. Αναπτύξαμε ένα ισχυρό εργαλείο για τον σχεδιασμό υλικών που θα χρειαστούν οι κβαντικοί υπολογιστές επόμενης γενιάς».
Δύο μεταβάσεις στο ίδιο υλικό
Το τελλουριούχο σεληνιούχο σίδηρο είναι σχετικά πρόσφατα ανακαλυφθέν υλικό που συνδυάζει υπεραγωγιμότητα και τοπολογικές ιδιότητες. Όπως εξηγεί ο Subhasish Mandal, «Είναι μοναδικό γιατί συγκεντρώνει όλα τα βασικά συστατικά για την τοπολογική υπεραγωγιμότητα: υπεραγωγιμότητα, ισχυρή σύζευξη spin–orbit και έντονες ηλεκτρονικές συσχετίσεις».
Οι ερευνητές δημιούργησαν υμένια πάχους μόλις δέκα ατομικών στρωμάτων και έλεγξαν με ακρίβεια την αναλογία τελλουρίου προς σελήνιο. Όταν το τελλούριο ξεπέρασε περίπου το 70%, το υλικό πέρασε από τοπολογικά συνηθισμένη σε μη τετριμμένη φάση, αποκτώντας προστατευμένες επιφανειακές καταστάσεις χρήσιμες για την κβαντική πληροφορική.
Κοντά όμως στο καθαρό τελλουριούχο σίδηρο εμφανίστηκε απροσδόκητη αλλαγή: η τοπολογική κατάσταση εξαφανίστηκε. Υπολογιστικές αναλύσεις έδειξαν ότι η κίνηση των ηλεκτρονίων και οι συσχετίσεις τους ευθύνονται για αυτές τις μεταβάσεις.
Προοπτικές για κβαντικές συσκευές
Οι τοπολογικοί υπεραγωγοί θεωρούνται ιδανικοί για κβαντικές τεχνολογίες επειδή οι καταστάσεις τους είναι σταθερές και ανθεκτικές στον θόρυβο. Τα συγκεκριμένα λεπτά υμένια λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες από άλλα υποψήφια υλικά – περίπου 13 Kelvin αντί για 1 Kelvin σε συστήματα αλουμινίου – γεγονός που διευκολύνει την ψύξη με υγρό ήλιο.
Επιπλέον, η μορφή λεπτού υμενίου είναι ευκολότερη στον έλεγχο και κατάλληλη για κατασκευή συσκευών. Όπως εξηγεί ο Lin, «Αν θέλεις πρακτική εφαρμογή, πρέπει να μπορείς να καλλιεργήσεις το υλικό ως λεπτό υμένιο και όχι να αποσπάς στρώματα από έναν κρύσταλλο με ανομοιόμορφη σύσταση».
Ήδη αρκετές ερευνητικές ομάδες συνεργάζονται για την ανάπτυξη κβαντικών διατάξεων βασισμένων σε αυτά τα υλικά, ενώ συνεχίζεται η μελέτη των ιδιοτήτων τους.
