הטוויסט המגנטי: מוליכים היברידיים פותחים את פוטנציאל המחשוב הקוונטי

צוות בינלאומי הכולל חוקרים מאוניברסיטת וירצבורג הצליח ליצור מצב מיוחד של מוליכות-על. תגלית זו יכולה לקדם את הפיתוח של מחשבים קוונטיים.

מוליכים הם חומרים שיכולים להוליך חשמל ללא התנגדות חשמלית – מה שהופך אותם לחומר הבסיס האידיאלי עבור רכיבים אלקטרוניים במכונות MRI, רכבות ריחוף מגנטיות ואפילו מאיצי חלקיקים. עם זאת, מוליכים קונבנציונליים מופרעים בקלות על ידי מגנטיות. קבוצה בינלאומית של חוקרים הצליחה כעת לבנות מכשיר היברידי המורכב ממוליך-על מקרב יציב המשופר על ידי מגנטיות וניתן לשלוט על תפקודו באופן ספציפי.

הם שילבו את המוליך-על עם חומר מוליך למחצה מיוחד המכונה מבודד טופולוגי. "מבודדים טופולוגיים הם חומרים שמוליכים חשמל על פני השטח שלהם אך לא בפנים. זה נובע מהמבנה הטופולוגי הייחודי שלהם, כלומר הסידור המיוחד של האלקטרונים", מסביר פרופסור צ'ארלס גולד, פיזיקאי במכון למבודדים טופולוגיים באוניברסיטת וירצבורג (JMU). "הדבר המרגש הוא שאנו יכולים לצייד מבודדים טופולוגיים באטומים מגנטיים כך שניתן לשלוט עליהם על ידי מגנט."

מחזיק לדוגמא למדידות במיליקלווין (-273 מעלות צלזיוס). קרדיט: Mandal/JMU, seitlich erweitert mit Firefly

המוליכים והמבודדים הטופולוגיים חוברו ליצירת מה שנקרא צומת ג'וזףסון, חיבור בין שני מוליכים המופרדים על ידי שכבה דקה של חומר שאינו מוליך-על. "זה איפשר לנו לשלב את המאפיינים של מוליכות-על ו מוליכים למחצה", אומר גולד. "אז אנחנו משלבים את היתרונות של מוליך-על עם יכולת השליטה של ​​המבודד הטופולוגי. באמצעות שדה מגנטי חיצוני, אנו יכולים כעת לשלוט במדויק על תכונות המוליכות העל. זוהי פריצת דרך אמיתית בפיזיקה הקוונטית!"

מוליכות-על פוגשת מגנטיות

השילוב המיוחד יוצר מצב אקזוטי בו משולבים מוליכות-על ומגנטיות – בדרך כלל מדובר בתופעות הפוכות שרק לעיתים רחוקות מתקיימות במקביל. זה ידוע כמצב ה-Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (p-FFLO) המושרה על ידי הקרבה. "מוליך העל עם פונקציית בקרה" החדש עשוי להיות חשוב ליישומים מעשיים, כגון פיתוח מחשבים קוונטיים. בניגוד למחשבים קונבנציונליים, מחשבים קוונטיים מבוססים לא על ביטים אלא על ביטים קוונטיים (קווביטים), שיכולים לקבל לא רק שניים אלא כמה מצבים בו זמנית.

"הבעיה היא שסיביות קוונטיות כרגע מאוד לא יציבות מכיוון שהן רגישות מאוד להשפעות חיצוניות, כמו שדות חשמליים או מגנטיים", אומר הפיזיקאי גולד. "התגלית שלנו יכולה לעזור לייצב סיביות קוונטיות כך שניתן יהיה להשתמש בהן במחשבים קוונטיים בעתיד."

צוות מחקר קוונטי בינלאומי

המחקר הניסיוני בוצע על ידי צוות מהקתדרה לפיזיקה ניסויית III של פרופסור Laurens W. Molenkamp בווירצבורג. זה בוצע בשיתוף פעולה הדוק עם מומחים תיאורטיים מקבוצתם של פרופסור פ. סבסטיאן ברגרט מהמרכז לפיסיקת חומרים (CFM) בסן סבסטיאן, ספרד ופרופסור Teun M. Klapwijk מאוניברסיטת דלפט לטכנולוגיה בהולנד.

קבוצת המחקר הבינלאומית מומנה על ידי Cluster of Excellence ct.qmat (מורכבות וטופולוגיה בחומרים קוונטיים), קרן המחקר הגרמנית (DFG), המדינה החופשית של בוואריה, ה-Agencia Estatal de Investigación הספרדית (AEI), המחקר האירופי תוכנית Horizon 2020 ותוכנית המענקים המתקדמים של האיחוד האירופי ERC.