Прямое измерение электрических свойств в ультратонких топологических изоляторах

Физики Forschungszentrum Jülich сделали значительный шаг в направлении создания новых типов электронных компонентов. Используя специальный сканирующий туннельный микроскоп с четырьмя остриями, они впервые смогли напрямую измерить необычные электрические свойства, присущие ультратонким топологическим изоляторам. Эти свойства являются результатом того факта, что спин электрона связан с направлением электрического тока, и позволяет реализовать топологический квантовый компьютер. Об этом подробно рассказано в новой публикации на Phys.org.

Квантовые биты декогеренции, или сокращенно кубиты, являются одним из основных препятствий при создании практически применимых квантовых компьютеров. Так называемые топологические квантовые компьютеры считаются элегантным и многообещающим решением этой проблемы.

Чувствительная квантовая информация в таком компьютере особенно хорошо защищена от ошибок выбором определенных материалов. Однако концепция существует пока в основном только на бумаге. Поиски системы материалов с соответствующими свойствами все еще идут полным ходом.

Один из способов реализации топологического квантового компьютера основан на использовании топологических изоляторов, которые представляют собой новый класс материалов с особыми свойствами: они ведут себя как изолятор внутри себя, то есть они не проводят там электричество. Однако их поверхность является проводящей, а направление тока строго связано со спином носителей заряда.

Особый случай — трехмерные топологические изоляторы, открытые всего несколько лет назад. Если представить их в виде куба, они будут токопроводящими со всех шести сторон. Однако проводимость на противоположных поверхностях уменьшается, когда куб топологических изоляторов становится тоньше, как теперь смогли показать исследователи из Института квантовой нанонауки Петера Грюнберга в Юлихе.

В конечном итоге остается тонкий слой толщиной всего в несколько нанометров с четырьмя проводящими краями, по которым электрический ток продолжает течь направленно.

Благодаря своим особым свойствам такие ультратонкие топологические изоляторы представляют собой интересные материалы для использования в спинтронике, то есть для разработки компонентов и устройств, использующих спин электронов для обработки и хранения информации. В сочетании со сверхпроводниками они позволят реализовать дальнейшие, еще более экзотические эффекты, которые можно будет использовать в топологических квантовых компьютерах.