量子计算机需要一种名为拓扑超导体的特殊材料——但这类材料以难以制备而著称。研究人员现已证明，通过微妙调整超薄薄膜中碲和硒的配比，他们能够触发这种奇异状态。这种微小的化学调整改变了电子的相互作用方式，如同转动量子相位的"旋钮"直至理想状态显现。这项研究为构建稳定的下一代量子器件开辟了一条更现实的路径。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）和西弗吉尼亚大学的研究人员现已展示了一种实现这些材料的实用方法。通过略微调整化学式，他们能够改变大量电子在材料内部相互作用的方式，从而将其引导至拓扑超导态。
该团队专注于由碲和硒两种元素组成的超薄膜。通过仔细改变这些元素的比例，他们发现可以将材料从一个量子相推进到另一个量子相，包括备受期待的拓扑超导体相。
他们的研究结果发表在《自然·通讯》上，表明改变碲与硒的比例会改变电子相互影响的强度。这些电子关联起到了一种微调机制的作用，使科学家能够有意地设计出不同寻常的量子态。
"我们可以像调节刻度盘一样调节这种关联效应，"芝加哥大学普利兹克分子工程学院研究生、这项新研究的第一作者Haoran Lin说。"如果关联太强，电子就会被冻结在原地。如果关联太弱，材料就会失去其特殊的拓扑性质。只有在恰到好处的水平上，才能得到拓扑超导体。"
"这为量子材料研究开辟了一个新方向，"分子工程助理教授、这项新研究的资深作者Shuolong Yang说。"我们已经开发出一个强大的工具，用于设计下一代量子计算机所需的那种材料。"
碲化硒化铁与竞争性量子效应
这项研究的核心材料——碲化硒化铁，是相对较新发现的，以其将超导性与不寻常的拓扑行为相结合而闻名。
"这是一种独特的材料，因为它汇集了人们期望在拓扑超导平台上拥有的所有基本要素：超导性本身、强自旋轨道耦合以及显著的电子关联，"西弗吉尼亚大学物理学助理教授、这篇新论文的作者之一Subhasish Mandal说。"这种组合使其成为一个理想的系统，用于探索不同的量子效应如何相互作用和竞争。"
此前，科学家们以块体晶体形式制备出这种材料，并观察到了有趣的量子态。然而，块体晶体难以操控，且其化学成分在不同区域可能有所变化，这使得获得一致的结果变得更加困难。
用于稳定量子器件的薄膜
拓扑超导体对量子技术特别有吸引力，因为它们的拓扑态天然稳定，不易受到干扰大多数量子系统的噪声的影响。
Yang团队开发的超薄膜相比于其他候选拓扑超导材料具有若干优势。它们可以在高达13开尔文的温度下工作，而基于铝的平台工作温度约为1开尔文。这种更高的工作温度使得使用标准液氦系统冷却它们更加容易。此外，与块体晶体相比，薄膜提供了更高的均匀性，并且与现代器件制造技术更兼容。
"如果你试图将这种材料用于实际应用，你需要能够将其生长成薄膜形式，而不是试图从一块可能整体成分不一致的'岩石'上剥离薄层，"Lin解释道。
数个研究团队已经在与Yang的团队合作，对这些薄膜进行图案化处理并构建原型量子器件。与此同时，研究人员还在继续研究碲化硒化铁薄膜的其他特性，以更好地了解其在下一代量子计算中的应用潜力。