Elektrony jako ciecz mogą pomóc w budowie komputerów kwantowych odpornych na zaburzenia

Kiedy elektrony poruszają się w grupie, występujące między nimi odpychanie może zmienić przepływ prądu elektrycznego. Nadaje to materiałom specjalne właściwości, które od dawna są poszukiwane przez fizyków do budowy odpornych na błędy komputerów kwantowych.
Ciecz elektronowa pod mikroskopem /Fot. NTU

Ciecz elektronowa pod mikroskopem /Fot. NTU

Zespół naukowców z Uniwersytetu Technologicznego Nanyang (NTU) w Singapurze bada egzotyczne fazy materii za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej, która pozwala na analizę materiałów atom po atomie. Jego zespół przeprowadził eksperymenty pokazujące, jak jednowymiarowy płyn elektronowy może być kontrolowany z niespotykaną do tej pory dokładnością. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Communications.

W zwykłych materiałach, odpychanie elektronów jest zazwyczaj wyciszane przez fakt “unikania” się siebie nawzajem. Ale w sytuacjach, w których elektrony są ograniczone do poruszania się jeden obok drugiego w jednym kierunku, ta swoboda może być ograniczona. Każdy elektron może się poruszyć tylko wtedy, gdy pozostałe się poruszają.

Czytaj też: Stworzono najdokładniejszy attozegar na świecie. Pozwala podglądać elektrony

Dzięki oddziaływaniom między elektronami, mogą one w niskich temperaturach skondensować się w nowy stan ciekły, w którym tracą swoją indywidualną tożsamość i zachowują się kolektywnie, jakby były zupełnie innymi cząstkami. To tzw. ciecz Tomonagi-Luttingera, rzadka faza materii, którą fizycy starają się zrozumieć od ponad pół wieku.

Ciecz inna niż wszystkie

Eksperymentalne badania cieczy Tomonagi-Luttingera były utrudnione przez fakt, że pojawiają się one tylko w kilku szczególnych miejscach, np. nanorurkach węglowych. Ponadto, pomiar ich właściwości wymaga znacznie bardziej czułych technik eksperymentalnych w porównaniu z tymi, które są stosowane w badaniach materiałów konwencjonalnych.

Prof. Bent Webber z NTU skupił się na szczególnym środowisku, w którym mogą powstawać ciecze Tomonagi-Luttingera, oparte na dwuwymiarowych materiałach zwanych izolatorami QSH. Materiały te są elektrycznie izolowane we wnętrzu, pozwalając elektronom przebywać tylko na ich jednowymiarowych granicach lub “krawędziach”.

Elektrony na tej krawędzi posiadają właściwość, której brakuje w innych cieczach Tomonagi-Luttingera – są “spiralne”, co oznacza, że spin każdego elektronu (który opisuje jego obrót) jest zablokowany do kierunku, w którym się porusza. Nadaje to cieczy Tomonagi-Luttingera niezwykłe właściwości.

Ważny krok w kierunku jeszcze lepszych komputerów kwantowych – prof. Ben Weber w centrum /Fot. NTU

Gdy temperatura zostanie obniżona do niemal zera bezwzględnego, elektrony w spiralnej cieczy Tomonagi-Luttingera spontanicznie grupują się w jednostki zwane “parafermionami”, składające się z czterech elektronów każda. Parafermiony mogą kodować informacje kwantowe w sposób odporny na zaburzenia. Technologie kwantowe oparte na parafermionach miałyby dosłownie “przewagę” nad innymi podejściami, umożliwiając odporne na błędy obliczenia kwantowe.

Prof. Webera badał jednowymiarowe granice kwantowych izolatorów QSH w różnych warunkach i przy pomocy modeli teoretycznych charakteryzował ich właściwości. Siła oddziaływań w cieczy Luttingera jest określana przez tzw. parametr Luttingera K, który charakteryzuje, czy elektrony są wrażliwe lub też nie na wzajemne odpychanie. Gdy K=1, elektrony w ogóle nie oddziałują. Gdy K jest mniejsze niż 0,5, oddziaływania są silne i elektrony są zmuszone do kolektywnego ruchu. Jest to sytuacja, w której przewiduje się istnienie parafermionów.

Czytaj też: Nadchodzi nowa era mikroskopii. Elektrony oglądane dokładnie jak nigdy

Na K duży wpływ ma wybór podłoża, czyli materiału bazowego, na którym wszczepia się układ. Ponadto, oddziaływania są silniejsze na pewnych typach krawędzi. Zmieniając te parametry, zespół uzyskał wartości K pomiędzy 0,21 a 0,33. Tak niskie wartości K nigdy wcześniej nie były obserwowane w żadnej spiralnej cieczy Tomonaga-Luttingera.

Przeprowadzone badania mogą oznaczać zupełnie nową erę w budowie komputerów kwantowych. Co chwilę donosi się o kolejnym “przełomie”, ale to jedno z tych odkryć, które faktycznie może mieć przełożenie na zastosowania komputerów kwantowych.