Это открытие может изменить понимание квантовой материи и потенциально продвинуть квантовые вычисления, предоставив путь к более стабильным кубитам — фундаментальным строительным блокам, необходимым для обработки информации в будущих квантовых машинах.
Теория возникает из загадочных экспериментов
Работа команды MIT посвящена поразительному противоречию, которое возникло в этом году в результате двух отдельных экспериментов. В мае физик из MIT Лонг Джу и его коллеги сообщили об обнаружении сосуществования сверхпроводимости и магнетизма в ромбоэдрическом графене — материале, состоящем из четырех или пяти слоев графена. Вскоре после этого исследователи наблюдали аналогичные двойственные состояния в дителлуриде молибдена, известном как MoTe2.
«Это было электризующе», — сказал Сентил Тодадри, профессор физики имени Уильяма и Эммы Роджерс в MIT и ведущий автор нового исследования, вспоминая презентацию Джу на конференции. «Это всех взбудоражило. И это породило больше вопросов о том, как такое вообще возможно».
На протяжении десятилетий физики считали, что магнитные поля разрушают сверхпроводимость, разрывая куперовские пары — связанные электроны, которые скользят через сверхпроводящие материалы без сопротивления. Недавние экспериментальные данные потребовали новой теоретической основы.
Анионы освобождаются от квантовой фрустрации
Тодадри и аспирант Чжэнъянь Дариус Ши сосредоточились на MoTe2, где сверхпроводимость возникает при тех же условиях, что и дробный квантовый аномальный эффект Холла — явление, при котором электроны расщепляются на дробные квазичастицы, называемые энионами. Эти частицы, впервые предсказанные в 1980-х годах и названные лауреатом Нобелевской премии из MIT Фрэнком Вильчеком, существуют только в двумерных материалах.
Используя квантовую теорию поля, исследователи смоделировали поведение различных типов энионов при разных плотностях электронов. Они обнаружили, что энионы, несущие одну треть заряда электрона, остаются «фрустрированными», неспособными двигаться коллективно. Но энионы с двумя третями заряда электрона ведут себя иначе.
«Эти энионы преодолевают свою фрустрацию и могут двигаться без трения», — сказал Тодадри. «Удивительно то, что это совершенно иной механизм, посредством которого может образоваться сверхпроводник, но таким образом, который можно описать как куперовские пары в любой другой системе».
Теория предсказывает, что сверхпроводящие энионы производят характерные вихревые сверхтоки, которые спонтанно появляются в случайных местах по всему материалу — признак, который экспериментаторы могут искать для подтверждения этой идеи.
Последствия для квантовых вычислений
Если они будут подтверждены, сверхпроводящие энионы могут открыть новые подходы к созданию топологических кубитов, которые кодируют квантовую информацию в глобальных свойствах систем частиц, а не в хрупких индивидуальных состояниях. Этот подход обеспечивает встроенную защиту от шума окружающей среды, который в настоящее время мешает квантовым компьютерам, где кубиты обычно сохраняют свои состояния всего от микросекунд до миллисекунд.
«Эти теоретические идеи, если они оправдаются, могут приблизить эту мечту на один крошечный шаг», — сказал Тодадри.
«Необходимо провести еще много экспериментов, прежде чем можно будет объявить о победе», — предостерег он. «Но эта теория очень многообещающая и показывает, что могут существовать новые способы возникновения явления сверхпроводимости».
Если объяснение, основанное на энионах, окажется верным, сказал Тодадри, «это откроет дверь к изучению нового вида квантовой материи, которую можно назвать "энионной квантовой материей". Это будет новая глава в квантовой физике».
Исследование частично финансировалось Национальным научным фондом.
https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/164424?show=full
Комментариев нет:
Отправить комментарий