Naukowcy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) informują o materiale, który może stać się „krzemem komputerów kwantowych”. Nowo odkryte właściwości ditellurku uranu (UTe2) wskazują, że może być on wyjątkowo odporny na jeden z największych problemów trapiących informatykę przyszłości, problem zachowania kwantowej koherencji.

Procesor kwantowy

Stano kwantowe są niezwykle delikatne i ulegają zniszczeniu pod wpływem czynników zewnętrznych. Dotychczas nikomu nie udało się w sposób praktyczny do masowego zastosowania rozwiązać problemu istnienia kubitów (kwantowych bitów) na tyle długo, by można było przeprowadzić obliczenia zanim ich stany kwantowe ulegną zniszczeniu.

Materiałem, który może pomóc w przezwyciężeniu tych problemów jest nadprzewodzący UTe2. Okazało się bowiem, że jest on niezwykle odporny na działanie zewnętrznego pola magnetycznego, co jest ewenementem wśród nadprzewodników. Nick Butch, fizyk z NIST mówi, że ta właściwość czyni go atrakcyjnym przedmiotem badań dla specjalistów rozwijających komputery kwantowe. To potencjalny krzem wieku informatyki kwantowej. Można by użyć ditellurku uranu do uzyskania kubitów w wydajnym komputerze kwantowym, stwierdza uczony.

W zwykłych przewodnikach elektrony podróżują jako indywidualne cząstki. Jednak w nadprzewodnikach tworzą one pary Coopera, czyli oddziałujące ze sobą pary elektronów. Mają one połówkowe spiny skierowane w przeciwne strony i ich spin całkowity wynosi 0. To właśnie istnienie par Coopera zapewnia nadprzewodnictwo.

Istnieje jednak niewielka liczba nadprzewodników, i UTe2 wydaje się do nich należeć, gdzie spin par Coopera może przyjmować nie jedną, a trzy różne konfiguracje, w tym i taką, gdzie spiny obu elektronów są równoległe, a spin całkowity przyjmuje wartość -1, 0 i +1. Wówczas mówimy o nadprzewodniku topologicznym. Wykazuje on dużą odporność na działania czynników zewnętrznych. Taki równoległy spin może podtrzymać działanie komputera. W tym przypadku nie dochodzi do spontanicznego zaniku stanu z powodu fluktuacji kwantowych, mówi Butch.

Potrzebujemy topologicznych przewodników, gdyż mogą nam one zapewnić bezbłędnie działające kubity. Mogą mieć one bardzo długie czasy życie. Topologiczne nadprzewodniki to alternatywny sposób na zbudowanie komputera kwantowego, gdyż chronią one stany kwantowe przed wpływami zewnętrznymi, wyjaśnia Butch.

Wraz ze swoim zespołem prowadził on badania nad magnesami bazującymi na uranie i zainteresował się bliżej ditellurkiem uranu.

UTe2 został po raz pierwszy pozyskany w latach 70. XX wieku i nawet dość niedawne artykuły naukowe opisywały to jako nieciekawy materiał. My uzyskaliśmy go jako materiał uboczny podczas syntezy innego materiału. Postanowiliśmy go jednak zbadać, by sprawdzić, czy nie ma on jakichś właściwości, które inni przeoczyli. Szybko zdaliśmy sobie sprawę, że mamy w rękach coś specjalnego, mówi Butch.

Szczegółowe badania wykazały, że UTe2 jest w bardzo niskich temperaturach nadprzewodnikiem, a jego właściwości nadprzewodzące przypominają te rzadkie nadprzewodniki, które są jednocześnie ferromagnetykami. Jednak UTe2 nie jest ferromagnetykiem. Już samo to czyni go wyjątkowym, stwierdza Butch. Okazało się też, że jest wyjątkowo odporny na zewnętrzne pole magnetyczne. Zwykle pole magnetyczne niszczy nadprzewodnictwo. Jednak okazało się, że UTe2 wykazuje właściwości nadprzewodzące w polu magnetycznym o natężeniu do 35 tesli. To wielokrotnie więcej niż wytrzymuje większość niskotemperaturowych nadprzewodników topologicznych.

Mimo, że jeszcze nie zdobyto jednoznacznego dowodu, iż UTe2 jest nadprzewodnikiem topologicznym, Butch mówi, że jego niezwykła odporność na działanie pola magnetycznego wskazuje, że jest nadprzewodnikiem, w którym pary Coopera przyjmują różne wartości spinu.

Zdaniem naukowców z NIST dalsze badania nad tym materiałem pozwolą nam lepiej zrozumieć jego właściwości oraz, być może, samo zjawisko nadprzewodnictwa. Może zrozumiemy, co stabilizuje tego typu nadprzewodniki. Głównym celem prac nad nadprzewodnikami jest bowiem zrozumienie tego zjawiska na tyle, byśmy wiedzieli, gdzie szukać materiałów nadprzewodzących. Teraz tego nie potrafimy. Nie wiemy, co jest ich główną cechą. Mamy nadzieję, że ten materiał nam to zdradzi, dodaje Butch.

 

 

 

Źródło: NIST