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无故障量子计算的一流候选者带来惊喜

紫金社区网7个月前 (01-24)百科114
莱斯大学领导的一项研究迫使物理学家重新思考二碲化铀的超导性,二碲化铀是全球制造容错量子计算机竞赛中的一流材料。

二碲化铀晶体被认为拥有一种罕见的“自旋三重态”形式的超导性,但本周发表在《自然》杂志上的令人费解的实验结果颠覆了关于物质状态如何在材料中出现的主要解释。莱斯、橡树岭国家实验室、加州大学圣地亚哥分校和佛罗里达州立大学国家高磁场实验室的物理学家进行的中子散射实验揭示了反铁磁自旋波动的明显迹象,这些波动与二碲化铀的超导性相关。

在固态材料中尚未观察到自旋三重态超导性,但物理学家长期以来一直怀疑它源于铁磁性的有序状态。近年来,寻找自旋三重态材料的竞赛已经升温,因为它们有可能容纳称为马约拉纳费米子的难以捉摸的准粒子,可用于制造无错误的量子计算机。

“人们已经花费了数十亿美元试图寻找它们,”莱斯研究的合著者戴鹏程谈到马约拉纳费米子时说,这是一种假设的准粒子,可用于使拓扑量子位摆脱困扰当今量子计算机中量子位的有问题的退相干问题。

“承诺是,如果你有一个自旋三重态超导体,它有可能被用来制造拓扑量子比特,”物理学和天文学教授、莱斯量子计划成员戴说。“你不能用自旋单线态超导体做到这一点。所以,这就是人们对此非常感兴趣的原因。”

当电子成对并作为一个移动时,就会发生超导性,就像情侣在舞池中旋转一样。电子自然会彼此厌恶,但它们避免其他电子的倾向可以通过它们对低能量存在的固有渴望来克服。如果配对允许电子达到比它们自己所能达到的更懒惰的状态——这只有在极冷的温度下才有可能——它们可以被诱导成对。

哄骗以他们的物理环境波动的形式出现。在普通的超导体中,如铅,波动是超导线内铅原子的原子晶格中的振动。物理学家尚未确定在二碲化铀等材料中导致非常规超导性的波动。但数十年的研究发现相变——电子自发重新排列的分水岭时刻——在配对开始的关键点。

在量子力学方程中,这些自发有序排列由称为有序参数的项表示。名称自旋三重态指的是这些有序排列中三个对称性的自发破坏。例如,电子不断自旋,就像小条形磁铁一样。一个顺序参数与它们的自旋轴(想想北极)有关,它指向上或下。铁磁顺序是所有自旋指向相同的方向,反铁磁顺序是它们上下交替排列。在唯一确认的自旋三重态超流体 helium-3 中,有序参数不少于 18 个分量。

“所有其他超导性都是自旋单线态,”戴说,他也是莱斯大学量子材料中心 (RCQM) 的成员。“在自旋单线态中,你有一个向上自旋和一个向下自旋,如果你加上一个磁场,它很容易破坏超导性。”

那是因为磁场推动自旋在同一方向上对齐。场越强,推力越强。

“二碲化铀的问题是破坏超导性所需的场强是 40 特斯拉,”戴说。“这是巨大的。40 年来,人们认为发生这种情况的唯一可能性是当你放置一个场时,自旋已经在一个方向上对齐,这意味着它是一个铁磁体。”

在这项研究中,戴和莱斯博士后研究助理、该研究的第一作者段春若与佛罗里达州立大学的合著者瑞安·鲍姆巴赫合作,他的实验室培养了实验中使用的二碲化铀的单晶样品,加州大学圣地亚哥分校的合著者Brian Maple,他的实验室在橡树岭的散裂中子源测试并准备了用于中子散射实验的样品。

戴说:“中子的作用是带来特定的能量和动量,它可以将库珀对自旋从向上状态翻转到向下状态。” “它告诉你这些对是如何形成的。从这个中子自旋共振中,人们基本上可以确定电子配对能量”和描述该对的量子力学波函数的其他特征,他说。

戴说,对这一结果有两种可能的解释:要么二碲化铀不是自旋三重态超导体,要么自旋三重态超导性以物理学家以前从未想象过的方式由反铁磁自旋涨落产生。戴说,几十年的实验证据都 指向了后者,但这似乎违反了关于超导的传统观点。因此,戴与莱斯的同事齐妙思合作,后者是一位理论物理学家,专门研究非常规超导等新兴量子现象。

研究的合著者 Si 在过去五年的大部分时间里都展示了他与前博士共同开发的多轨道配对理论。学生 Emilian Nica解释了几种非常规超导体中相互矛盾的实验结果,包括重费米子,该类包括二碲化铀。

在多轨道配对中,某些原子壳中的电子比其他原子壳中的电子更有可能形成对。Si 回忆说,铀有可能从具有 14 种可能状态的七个轨道中的任何一个轨道贡献成对电子。

“首先想到的是多轨道,”他说。“如果你只有一个带或一个轨道,那是不可能的,但轨道为可能的非常规超导体配对带来了新的维度。它们就像调色板。颜色是内部量子数和 f 电子在铀基材料中,重费米子材料自然而然地具有这些颜色。它们带来了超越“配对状态周期表”的新可能性。这些新的可能性之一是自旋-三重配对。”

现在在亚利桑那州立大学的 Si 和 Nica 表明,反铁磁相关性可能会产生合理的、低能量的自旋三重态配对状态。

“在绝大多数情况下,自旋-三重态配对状态是极不可能的,因为对会形成自旋-单重态以降低它们的能量,”Si 说。“在二碲化铀中,自旋-轨道耦合可以改变能量格局,使自旋-三重态配对状态与自旋-单重态对应物更具竞争力。”

Si 是莱斯大学物理和天文学系的 Harry C. 和 Olga K. Wiess 教授,也是 RCQM 的主任。其他合著者包括 Oak Ridge 的 Andrey Podlesnyak 和 Yuhang Deng、加州大学圣地亚哥分校的 Camilla Moir 和 Alexander Breindel。

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