Floriana Lombardi & Thilo Bauch
Efter en intensiv analysperiod kunde Thilo Bauch och Floriana Lombardi konstatera att de sannolikt har lyckats skapa en topologisk supraledare, och en högintressant alternativ teknik för att bygga en kvantdator.
Foto: Johan Bodell/Chalmers

Okonventionell supraledare kan bli material för framtidens kvantdatorer

Med sin okänslighet för störningar skulle så kallade majoranapartiklar kunna bli stabila byggstenar i en kvantdator. Problemet är att de enbart uppträder under mycket speciella omständigheter. Nu har chalmersforskare lyckats tillverka en komponent som visar tydliga tecken på att husera de eftersökta partiklarna.
​Forskare över hela världen kämpar för att bygga en kvantdator. En av de stora utmaningarna är att komma runt kvantsystemens känslighet för störningar. Ett spår inom kvantdatorforskningen är därför att utnyttja så kallade majoranapartiklar, även kallade majoranafermioner. Bland annat Microsoft satsar på att utveckla den här typen av kvantdator.

Majoranafermioner är mycket originella partiklar, helt olika de som bygger upp materialen omkring oss. Väldigt förenklat kan man likna dem vid halva elektroner. I en kvantdator är tanken att koda information i par av majoranafermioner som är åtskilda i materialet, vilket skulle göra beräkningarna i princip immuna mot störningar.

Så var hittar man då majoranafermioner?

I fasta material lär de endast förekomma i så kallade topologiska supraledare – en typ av supraledare som är så ny och speciell att den knappt finns i praktiken. Men en forskargrupp på Chalmers är nu bland de första i världen att presentera resultat som tyder på att de faktiskt har lyckats tillverka en topologisk supraledare.

– Våra experimentella resultat är helt förenliga med topologisk supraledning, säger Floriana Lombardi, biträdande professor vid avdelningen för kvantkomponentfysik på Chalmers.

För att skapa sin okonventionella supraledare har de utgått från en så kallad topologisk isolator av vismuttellurid, Be2Te3. En topologisk isolator är till största delen just en isolator – det vill säga den leder inte ström – men leder ström på ett väldigt speciellt sätt på ytan. Ovanpå har forskarna lagt ett lager av en konventionell supraledare, i det här fallet aluminium, som leder ström helt utan motstånd vid riktigt låga temperaturer.

– De supraledande paren av elektroner läcker då in i den topologiska isolatorn som också blir supraledande, förklarar Thilo Bauch, docent i kvantkomponentfysik.

Vid de första mätningarna tydde allt på att de bara hade helt vanlig supraledning i sin komponent. Fast när de senare kylde ner komponenten igen, för att rutinmässigt upprepa några mätningar, var situationen plötsligt annorlunda – egenskaperna hos de supraledande elektronparen varierade i olika riktningar.

– Och det går inte alls ihop med konventionell supraledning. Plötsligt hade oväntade och spännande saker dykt upp, säger Floriana Lombardi.

Till skillnad från andra forskargrupper hade Floriana Lombardis grupp använt platina för att sätta ihop den topologiska isolatorn med aluminiumet. Vid upprepade nedkylningar gav det upphov till spänningar i materialet (se bilden), vilket gjorde att supraledningen ändrade karaktär.

Efter en intensiv analysperiod kunde forskargruppen konstatera att de förmodligen lyckats skapa en topologisk supraledare.

– För praktiska tillämpningar är materialet främst intressant för de som försöker bygga en topologisk kvantdator. Själva vill vi utforska all den nya, spännande fysik som gömmer sig i topologiska supraledare – det här är ett nytt kapitel inom fysiken, säger Floriana Lombardi.

Resultaten publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications: Induced unconventional superconductivity on the surface states of Bi2Te3 topological insulator

Mer om kvantdatorer och majoranapartikeln
På Chalmers pågår ett stort kvantdatorprojekt inom Wallenberg Centre for Quantum Technology. Det baseras dock på annan teknik än topologiska supraledare.
Majoranapartikeln förutsades av den italienske fysikern Ettore Majorana redan år 1937. Den är en mycket originell elementarpartikel som – liksom elektroner, neutroner och protoner –tillhör gruppen fermioner. Till skillnad från alla andra fermioner är majoranafermionen sin egen antipartikel.

För mer information, kontakta:
Floriana Lombardi, biträdande professor i kvantkomponentfysik, Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap (MC2), Chalmers, 031-772 33 18, floriana.lombardi@chalmers.se
Thilo Bauch, docent i kvantkomponentfysik, Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap (MC2), Chalmers, 031-772 33 97, thilo.bauch@chalmers.se

Text: Ingela Roos/Chalmers


Publicerad: må 19 feb 2018. Ändrad: to 22 feb 2018