Необычный сверхпроводник изменит способ создания квантового компьютера

Исследователи из Центра квантовых материалов Университета Мэриленда их коллеги доказали, что дителлурид урана или сокращенно UTe2 можно использовать как сверхпроводник для создания квантовых компьютеров и других футуристических устройств, передает Nature.com.

Все сверхпроводники переносят электрические токи без сопротивления. Но они достигают своей сверхпроводимости разными способами. С начала 2000 годов ученые искали особый вид сверхпроводника, который опирается на сложную механику субатомных частиц, несущих ток.

Сверхпроводимость — это макроскопическое квантовое явление, которое заключается в фазовом переходе некоторых веществ при низких температурах в новое состояние с нулевым электрическим сопротивлением.

Существует несколько разных типов сверхпроводников. Простейшими из них являются некоторые чистые металлы, свойства которых меняются вблизи абсолютного нуля, и их поведение хорошо описывается теорией Бардина—Купера—Шриффера (БКШ).

Исследование, проведенное командой из Стэнфордского университета, показывает, что в UTe2 или дителлуриде урана одновременно существует не один, а два вида сверхпроводимости.

В другом исследовании команда, возглавляемая Стивеном Анлаге, профессором физики UMD и членом QMC, выявила необычное поведение на поверхности того же материала.

Сверхпроводники проявляют свои особые характеристики только при определенной температуре, подобно тому, как вода замерзает только ниже нуля по Цельсию. В обычных сверхпроводниках электроны соединяются в линию конга из двух человек, следуя друг за другом внутри металла.

Но в некоторых редких случаях пары электронов можно сказать строятся не в шеренгу, а танцуют вокруг друг друга. Как только электроны соединяются таким образом, от образуется вихрь, именно он отличает топологический сверхпроводник от простого электронного.

В новой научной статье Пальоне и его сотрудники сообщили о двух новых измерениях, которые раскрывают внутреннюю структуру UTe2. Команда UMD измерила удельную теплоемкость материала, которая характеризует, сколько энергии требуется для его нагрева на один градус. Они измерили удельную теплоемкость при различных начальных температурах и наблюдали, как она меняется по мере того, как образец становится сверхпроводящим.

Во время второго измерения команда из Стэнфорда направила лазерный луч на кусок UTe2 и заметила, что отраженный свет был немного искажен. Если они посылали свет, подпрыгивающий вверх и вниз, отраженный свет подпрыгивал в основном вверх и вниз, но также немного влево и вправо. Это означало, что что-то внутри сверхпроводника скручивало свет и не раскручивало его на выходе.

Команда из Стэнфорда также обнаружила, что магнитное поле может заставить UTe2 так или иначе искривлять свет. Если бы они приложили магнитное поле, направленное вверх, когда образец стал сверхпроводящим, то исходящий свет был бы наклонен влево. Если они направляли магнитное поле вниз, свет наклонялся вправо. Это сказало исследователям, что для электронов, находящихся парами внутри образца, было что-то особенное в направлениях вверх и вниз кристалла.

Если природа сверхпроводимости в материале топологична, сопротивление в основной массе материала все равно будет равно нулю, но на поверхности произойдет нечто уникальное: появятся частицы, известные как моды Майораны, они сформируют жидкость, которая не является сверхпроводником. Эти частицы также остаются на поверхности, несмотря на дефекты материала или небольшие нарушения со стороны окружающей среды.

Исследователи предположили, что благодаря уникальным свойствам этих частиц они могут стать хорошей основой для квантовых компьютеров. Кодирование части квантовой информации в несколько майоранов, расположенных далеко друг от друга, делает информацию практически невосприимчивой к локальным возмущениям, которые до сих пор были одной из основных проблем квантовых компьютеров.