结合材料可能支持量子计算的独特超导性

一种新的材料融合，每种材料都具有特殊的电学性质，具有独特类型超导所需的所有成分，这可能为更稳健的量子计算提供基础。宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一个团队创造了这种新的材料组合，它还可以提供一个平台来探索类似于被称为手性Majoranas的神秘理论粒子的物理行为，这可能是量子计算的另一个有前途的组成部分

这项新研究发表在《科学》杂志上。这项工作描述了研究人员如何将这两种磁性材料结合在一起，他们称之为实现新兴界面超导的关键一步，他们目前正在努力实现这一点

超导体是一种没有电阻的材料，广泛用于数字电路、磁共振成像（MRI）和粒子加速器中的强大磁体，以及其他使电流最大化至关重要的技术

当超导体与称为磁性拓扑绝缘体的材料相结合时——只有几个原子厚的薄膜被制成磁性的，并限制电子向其边缘的运动——每个组件的新电学性质共同作用，产生“手性拓扑超导体”。

物质的拓扑结构或特殊的几何形状和对称性，在超导体中产生独特的电学现象，这有助于拓扑量子计算机的构建

量子计算机有潜力在传统计算机所需时间的一小部分内执行复杂计算，因为与将数据存储为1或0的传统计算机不同，量子计算机的量子比特在一系列可能的状态下同时存储数据

拓扑量子计算机利用电特性的组织方式，使计算机对退相干或量子系统未完全隔离时发生的信息丢失具有鲁棒性，从而进一步改进了量子计算

“创建手性拓扑超导体是拓扑量子计算的重要一步，可以扩大规模以广泛使用，”宾夕法尼亚州立大学亨利·W·克内尔早期职业教授兼物理学副教授、论文共同通讯作者崔祖昌说

“手性拓扑超导需要三种成分：超导性、铁磁性和一种称为拓扑有序的性质。在这项研究中，我们产生了一个具有这三种性质的系统。”，一种很有前途的利用超导电性的过渡金属。拓扑绝缘体是铁磁体——一种电子以相同方式旋转的磁体——而FeTe是反铁磁体，其电子以交替方向旋转

研究人员使用了各种成像技术和其他方法来表征合成材料的结构和电学性质，并证实在材料之间的界面上存在手性拓扑超导的所有三个关键成分

该领域先前的工作集中在将超导体和非磁性拓扑绝缘体结合起来。根据研究人员的说法，加入铁磁体特别具有挑战性

宾夕法尼亚州立大学物理学教授、该论文的共同通讯作者刘超星说：“通常情况下，超导性和铁磁性相互竞争，因此在铁磁性材料系统中很少发现稳健的超导性。”

“但这个系统中的超导性实际上对铁磁性非常强大。你需要一个非常强的磁场来消除超导性。”

研究团队仍在探索为什么超导性和铁磁性在这个系统中共存

张说：“这其实很有趣，因为我们有两种非超导的磁性材料，但我们把它们放在一起，这两种化合物之间的界面产生了非常强大的超导性。”

“硫属铁是反铁磁性的，我们预计其反铁磁性在界面附近会减弱，从而产生新兴的超导性，但我们需要更多的实验和理论工作来验证这是否属实，并阐明超导机制。”

研究人员表示，他们相信这个系统将有助于寻找表现出与马略拉纳粒子相似行为的物质系统——马略拉娜粒子是1937年首次假设的理论亚原子粒子。Majorana粒子充当自己的反粒子，这是一种独特的性质，有可能使它们在量子计算机中用作量子比特

“为手性Majorana的存在提供实验证据将是创建拓扑量子计算机的关键一步，”Chang说。“我们的领域在试图寻找这些难以捉摸的粒子方面有着艰难的过去，但我们认为这是探索马略拉纳物理学的一个很有前途的平台。”