Topologinen suprajohtavuus voi tarjota uusia rakennuspalikoita kvanttitietokoneisiin
Mikromaailman kuvailuun ei riitä arkipäivän ilmiöitä selittävä klassinen fysiikka, vaan avuksi tarvitaan kvanttimekaniikkana tunnettu abstrakti fysiikan teoria. Kvanttimekaniikalla on keskeinen merkitys uusien materiaalien ja teknologioiden kehityksessä, vaikka sen maailmankuva onkin arkijärjen kannalta vaikeaselkoinen ja outo.
Suprajohtavuus, eli sähkövirran häviötön virtaus matalissa lämpötiloissa, löydettiin vuonna 1911, ja se tarjoaa esimerkin kvanttimekaniikan seurauksista arkisessa kokoluokassa. Ilmiö aiheutuu varauksenkuljettajien, elektronien, sitoutumisesta niin sanotuiksi Cooperin pareiksi, jotka muodostavat koko kappaleen kattavan makroskooppisen kvanttitilan.
– Nyt julkaistussa tutkimuksessa on saatu vakuuttavia todisteita uudentyyppisestä, topologisena suprajohtavuutena tunnetusta aineen olomuodosta muutaman atomikerroksen paksuisessa rakenteessa, kertoo kokeiden teoreettista mallinnusta ja tulkintaa johtanut professori Teemu Ojanen Tampereen yliopistosta.
Varsinaisista kokeista vastasi professori Peter Liljerothin tutkimusryhmä Aalto-Yliopistossa.
Topologisissa suprajohteissa erityinen mielenkiinto kohdistuu niissä ennustettuihin eksoottisiin Majorana-hiukkasiin, joita ei ole aiemmin varmuudella havaittu.
– Topologisissa suprajohteissa elektronien vuorovaikutukset synnyttävät Majorana-hiukkasia ja viritystiloja. Tiiviin aineen Majorana-hiukkasilla on ennustettu olevan luonnossa tavattavista alkeishiukkaista poikkeavia ominaisuuksia, joiden takia niitä on kaavailtu kvanttitietokoneiden rakennuskomponenteiksi eli kvanttibiteiksi, Ojanen selvittää.
Design-materiaaleista uusiin hiukkasiin
Design-materiaalit, joissa yhdistetään eri luonnollisia aineita keinotekoisiksi rakenteiksi, ovat lupaavimpia alustoja topologiselle suprajohtavuudelle.
– Yhden atomikerroksen paksuisen magneetin yhdistäminen kerrostuneeseen suprajohteeseen oli ratkaiseva läpimurto topologisen suprajohtavuuden tuottamisessa, kertoo Peter Liljeroth.
Tutkitussa kerrosrakenteessa Majorana-hiukkasten on ennustettu kiertävän magneetin reunoilla (kuva). Kokeessa havaittiin juuri Majorana-hiukkasille tyypillinen reunasignaali.
Mahdollisista teknologisista sovelluksista riippumatta topologiset suprajohteet ja Majorana-hiukkaset ovat keskeinen fysiikan perustutkimuksen kohde ja paljastavat uusia yllättäviä piirteitä kvanttimekaniikasta.
– Topologista suprajohtavuutta on vaikea havaita suoraan, mutta sen olemassaolosta kielivät Majorana-hiukkaset. Nyt havaittu signaali Majorana-hiukkasista kerrosrakenteissa on vakuuttava ja erittäin hyvin sopusoinnussa teorian kanssa, summaa Teemu Ojanen.
Jatkossa tutkijoiden tavoitteena on laajentaa nykyisiä tuloksia toteuttamalla rakenteita, joissa Majorana-hiukkasia voidaan kontrolloidusti säätää ulkoisin kentin. Nämä edistysaskeleet ovat edellytyksiä sille, että topologiset suprajohteet voisivat löytää tiensä jonain päivänä sovelluksiin.
Lue Nature-tiedelehdessä 17.12.2020 julkaistu tutkimus Topological superconductivity in a designer ferromagnet-superconductor van der Waals heterostructures.
Lisätietoa tutkimuksesta saat Aalto-yliopiston uutisesta.
Lisätiedot
Teemu Ojanen
040 510 5406
teemu.ojanen [at] tuni.fi (teemu[dot]ojanen[at]tuni[dot]fi)
