Kvanttitietokoneen peruspalikoille löytyi uusi lupaava rakennusmateriaali

Amorfinen topologinen suprajohde koostuu suprajohtavalle pinnalle satunnaisesti sirotelluista magneettisista atomeista (punaiset nuolet). Satunnaisuudesta huolimatta systeemiin muodostuu kollektiivinen topologinen kvanttitila, jota ympäröi Majorana-reunatila (yllä). Kuva: Teemu Ojanen.

Uudenlaiset kvanttimateriaalit ja niiden vielä tuntemattomat, eksoottiset sähköiset ominaisuudet ovat yksi kiihkeimmin tutkittuja fysiikan aloja. Nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat osoittaneet, että täysin sattumanvaraisesti muodostuneen materiaalin voi saada toimimaan topologisena suprajohteena. Tähän asti topologiset materiaalit on pitänyt räätälöidä ja järjestää täydellisen säännöllisiksi hilarakenteiksi.

Topologiset suprajohteet mahdollistavat vastuksettoman johtavuuden – aivan kuten tavalliset suprajohteetkin – mutta niiden reunaa pitkin virtaa lisäksi erikoisia Majorana-hiukkasia. Ne ovat kollektiivisia kvantti-ilmiöitä, joita tavataan topologisissa suprajohteissa. Fyysikot ympäri maailmaa tutkivat kiivaasti erilaisia tapoja realisoida ilmiötä. Monet uskovat Majorana-hiukkasten voivan toimia kvanttitietokoneiden peruslaskentayksikköinä, kvanttibitteinä.

Nature Communications -lehdessä julkaistut tulokset ovat harppaus kohti topologisten suprajohteiden ja eristeiden teknologista soveltamista. Tutkijoiden mukaan niitä voisi hyödyntää häviöttömissä komponenteissa, joita tarvitaan kvanttitietokoneisiin. Topologisia suprajohtavia materiaaleja ei tiettävästi esiinny luonnossa, mutta nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat osoittaneet, että niitä on mahdollista valmistaa keinotekoisesti laboratoriossa.

”Olemme todistaneet, että topologisia materiaaleja voi valmistaa myös amorfisissa eli muodottomissa systeemeissä, joissa rakenneosat ovat täysin satunnaisessa järjestyksessä. Olemme siis saaneet aikaan topologisen suprajohteen sirottelemalla suprajohtavalle pinnalle magneettisia atomeja sinne tänne – järjestämättä atomeja ensin virheettömiksi ja säännöllisiksi hiloiksi”, selittää tohtorikoulutettava Kim Pöyhönen.

”Täysin epäsäännöllisten atomijärjestelmien hyödyntäminen topologisina suprajohteina vaikuttaa erittäin lupaavalta: niiden valmistaminen ja mahdollinen teollinen tuotanto olisi nykyisiä menetelmiä huomattavasti helpompaa, nopeampaa ja halvempaa”, sanoo tutkimusryhmän johtaja, dosentti Teemu Ojanen.

Toistaiseksi satunnaisten kvanttimateriaalien lupaukset ovat perustutkimuksen tasolla, mutta Ojasen mukaan oikeita sovelluksia voi jo visioida.

"Topologisten materiaalien teknologista soveltamista helpottaisi huomattavasti, jos esimerkiksi elektronisia komponentteja voisi valmistaa systeemeistä, jotka eivät ole mitenkään järjestyneitä. Siksi haluamme edelleen löytää uusia tapoja toteuttaa satunnaisia topologisia aineita”, Ojanen tähdentää.

Tutkimusartikkeli

Tutkimus on tehty Aalto-yliopiston fysiikan laitoksen Theory of Quantum Matter- ryhmässä.     

Lisätietoja:

Teemu Ojanen, dosentti
Aalto-yliopisto
teemu.ojanen@aalto.fi