Wspólnotowy Serwis Informacyjny Badan i Rozwoju - CORDIS

Nowe badania nad izolatorami topologicznymi mogą doprowadzić do stworzenia komputerów kwantowych

Naukowcy z UE zdobyli nowe informacje na temat wpływu pól magnetycznych na zachowanie się izolatorów topologicznych — materiałów, na których krawędziach mogą występować nowe egzotyczne elektronowe stany kwantowe. Manipulowanie i chwytanie tych stanów może pozwolić na stworzenie izolatorów topologicznych nadających się do użycia w komputerach kwantowych.
Nowe badania nad izolatorami topologicznymi mogą doprowadzić do stworzenia komputerów kwantowych
Izolatory topologiczne to nowo odkryta klasa materiałów, które na zewnątrz zachowują się jak izolatory, ale których powierzchnie zawierają stany przewodzące na styku z innymi materiałami. Stany powierzchniowe izolatorów topologicznych posiadają pewną intrygującą własność: kierunek ruchu elektronów jest ściśle powiązany z orientacją spinu. Te chronione stany przewodzone mogą załamywać się, gdy elektrony zmieniają swój spin.

Zaletą tego zależnego od spinu zachowania jest to, że zapobiega ono zjawisku noszącemu nazwę rozpraszania wstecznego. Niedoskonałości, które zazwyczaj pozbawiają materiały właściwości elektronicznych, mają tu niewielkie znaczenie. Powierzchnie topologiczne zachowują jednak pozbawiony rozpraszania prąd spinowy i ochronę przed rozpraszaniem wstecznym na odległościach kilku mikronów. Mechanizmy rozpraszania na większych odległościach, zaobserwowane na tellurku rtęci (HgTe), pozostają niewyjaśnione.

W kontekście tych zagadnień naukowcy zainicjowali projekt MAGNETOP (Probing the effect of time reversal symmetry breaking by the application of a local magnetic field in topological insulators). Prace były ukierunkowane na badanie wpływu małych pól magnetycznych na rozpraszanie, tak aby rozróżnić rolę wahań pola elektrycznego oraz lokalnych pól magnetycznych.

Przy pomocy mikroskopii SGM (Scanning Gate Microscopy) zespół badał transport i rozpraszanie elektronów w studniach kwantowych HgTe. Wyniki tych badań powinny nie tylko poszerzyć naszą wiedzę na temat mechanizmów rozpraszania w spinowych kwantowych stanach Halla, ale także pozwolić na poznanie sposobu oddziaływania krawędzi z nośnikami w materiale, kiedy staje się on przewodzący.

Uczeni badali także efekt uwięzienia nośników we wnęce Fabry'ego-Pérota w studniach kwantowych z HgTe. Stworzono dwubiegunowe połączenia, wykorzystujące efekt napięcia tylnej i górnej bramki. Związane z tym interferencje kwantowe wykryto w pomiarach transportu. Badania te powinny dostarczyć także dalszych informacji na temat roli stanów brzegowych i ich oddziaływania z masowymi nośnikami zarówno pod obecność, jak i nieobecność małego pola magnetycznego. Ponadto rezultaty omawianych prac będzie można wykorzystać do zbadania zależności między kwantowym efektem Halla a spinowym efektem Halla w obecności silnych pól magnetycznych.

Eksperymenty przeprowadzone przy pomocy skaningowej impedancyjnej mikroskopii mikrofalowej na próbkach w warunkach silnego pola magnetycznego ujawniły nieoczekiwanie przewodność na krawędziach materiału. Ustalenia te podważają dotychczasowe teorie, zgodnie z którymi silne pola magnetyczne powodują złamanie chronionych stanów przewodzących.

Przeprowadzone w ramach projektu MAGNETOP badania nad zachowaniem się stanów brzegowych pod wpływem pól magnetycznych powinny przyczynić się do dokładniejszego poznania mechanizmów rozpraszania elektronów. Manipulowanie polami magnetycznymi na tych stanach będzie niezwykle istotne dla zbudowania nowych obwodów i tranzystorów elektronicznych. Wszystkie rezultaty projektu opublikowano na łamach czasopism naukowych.

Powiązane informacje

Słowa kluczowe

Izolatory topologiczne, komputery kwantowe, pola magnetyczne, rozpraszanie, MAGNETOP, spinowy efekt Halla
Śledź nas na: RSS Facebook Twitter YouTube Zarządzany przez Urząd Publikacji UE W górę