电子在新材料中沿着量子高速公路飞驰

芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PME)的研究人员发现了一种新材料MnBi6Te10，可用于创建电子可以沿其移动的量子高速公路。这些电子通道可能有助于连接强大、节能的量子计算机的内部组件。

当电子穿过传统的金属线时，它们会损失少量能量——作为热量——并且它们的一些内在特性会发生变化。因此，这些电线不能用于连接以电子的量子特性编码数据的量子计算机部分。

在发表在《纳米快报》杂志上的这项新工作中，研究人员详细介绍了MnBi6Te10如何充当“磁性拓扑绝缘体”，在其周边穿梭电子，同时保持电子的能量和量子特性。

“我们发现了一种材料，它有可能打开量子高速公路，让电子在没有耗散的情况下流动，”Asst说。领导该研究的杨硕龙教授。“这是拓扑量子计算机工程的一个重要里程碑。”

量子连接

量子计算机将数据存储在量子比特中，这是一种基本的信息单位，表现出包括叠加在内的量子特性。与此同时，研究人员致力于开发连接此类量子位的设备——有时以单电子的形式——他们还需要能够传输存储在这些量子位中的信息的新材料。

理论物理学家提出，通过迫使电子在材料边缘的一维传导通道中流动，电子可以在拓扑量子位之间传输。以前尝试这样做需要极低的温度，这对于大多数应用来说是不可行的。

“我们决定研究这种特殊材料的原因是我们认为它可以在更真实的温度下工作，”杨说。

杨的小组开始研究MnBi6Te10，使用锰将磁化引入由铋和碲形成的半导体。虽然电子在大多数半导体内部随机流动，但MnBi6Te10中的磁场迫使所有电子进入材料外部的单行线。

PME研究人员获得了由毛志强领导的宾夕法尼亚州立大学二维晶体联盟的合作者制造的MnBi6Te10。然后，该团队结合使用两种方法——角分辨光电子能谱和透射电子显微镜(TEM)——来准确研究MnBi6Te10中的电子如何表现以及电子的运动如何随磁性状态而变化。TEM实验是与宾夕法尼亚州立大学NasimAlem实验室合作进行的。

期望的缺陷

当他们探索MnBi6Te10的性质时，一开始研究团队难倒了一件事情：一些材料似乎可以很好地用作磁性拓扑绝缘体，而另一些则没有。

“其中一些具有所需的电子特性，而另一些则没有，有趣的是很难区分它们的结构，”杨说。“当我们进行X射线衍射等结构测量时，我们看到了同样的事情，所以这有点神秘。”

然而，通过他们的TEM实验，他们发现所有工作的MnBi6Te10都有一些共同点：在整个材料中分散的锰缺失形式的缺陷。进一步的实验表明，事实上，这些缺陷是驱动磁态并使电子流动所必需的。

“这项工作的一个非常高的价值是，我们第一次想出了如何调整这些缺陷以实现量子特性，”杨说。

研究人员现在正在研究在实验室中生长MnBi6Te10晶体的新方法，并探索超薄二维材料会发生什么。