AI & computing › Kwantumcomputing & AI-hybrides
Chroommateriaal toont drie kwantumfases, wijst op zeldzame supergeleiding
Japanse onderzoekers hebben in een chroom-houdend materiaal drie verschillende supergeleidende toestanden ontdekt. De ontdekking is een sterke aanwijzing dat het materiaal een zogeheten spin-triplet supergeleider is, een zeldzaam type dat een sleutelrol kan spelen in toekomstige, foutbestendige kwantumcomputers.
Een supergeleider is een materiaal dat, eenmaal voldoende afgekoeld, stroom geleidt zonder enige weerstand. Dat maakt supergeleiders onmisbaar voor onder meer MRI-scanners, deeltjesversnellers en gevoelige sensoren. Onderzoekers van Okayama University in Japan hebben nu ontdekt dat het materiaal kaliumchroomarsenide, met de scheikundige formule K2Cr3As3, zich op een bijzondere manier gedraagt: het kan drie verschillende supergeleidende toestanden aannemen, afhankelijk van temperatuur en magneetveld. Dat maakt het een sterke kandidaat voor een zeldzaam type supergeleiding dat natuurkundigen al jaren zoeken.
Waarom spin ertoe doet
In een gewone supergeleider vormen elektronen koppels, de zogeheten Cooperparen. Bij de meeste bekende supergeleiders hebben die koppels een gecombineerde kwantumspin van nul: de twee elektronen draaien als het ware tegengesteld. In een spin-triplet supergeleider is dat anders. Daar hebben de gekoppelde elektronen een spin van één, ze draaien in dezelfde richting. Dat type supergeleiding is zeldzaam: er zijn wereldwijd maar een handvol materialen bekend waarin het mogelijk voorkomt, waaronder een paar uranium-verbindingen en een eerder door hetzelfde team onderzochte stof. Spin-triplet supergeleiders zijn wetenschappelijk interessant omdat ze meerdere supergeleidende fasen tegelijk kunnen herbergen en omdat ze mogelijk plek bieden aan zogeheten Majorana-toestanden. Dat zijn bijzondere quasideeltjes die, mits goed benut, fouten in kwantumcomputers drastisch kunnen verminderen.
Drie fasen in één kristal
Het team onder leiding van hoogleraar Guo-qing Zheng groeide eerst zuivere kristallen van K2Cr3As3 met een hoge-temperatuur oplostechniek. Vervolgens onderzochten ze de kristallen met kernspinresonantie (NMR), een techniek die met magneetvelden en radiogolven de omgeving van atoomkernen in kaart brengt. Volgens Zheng is dit vrijwel de enige methode om de spin-eigenschappen van een supergeleidende toestand rechtstreeks te meten. Door temperatuur en magneetveld stap voor stap te variëren, zag het team drie verschillende fasen ontstaan, die ze fase A, B en C noemden. Bij lage magneetvelden ontstaat eerst fase A, waarin de spinrichting van de elektronen meedraait met hun bewegingsrichting. Bij verdere afkoeling verschijnt fase B: hierin ontstaat een gedraaide, richtingsafhankelijke structuur die de zogeheten tijdomkeersymmetrie van het materiaal doorbreekt. Bij hogere magneetvelden ten slotte treedt fase C op, waarbij de energiekloof van de supergeleiding niet op losse punten maar langs een hele lijn verdwijnt. Het materiaal blijft supergeleidend tot 6,2 Kelvin, ofwel min 267 graden Celsius. Dat is niet extreem hoog, maar wel de hoogste temperatuur waarbij spin-triplet-gedrag ooit is aangetoond, nog boven het kookpunt van vloeibaar helium.
Voor Zheng en zijn collega's is dit resultaat het overtuigendste bewijs tot nu toe dat K2Cr3As3 een echte spin-triplet supergeleider is. Een van de drie fasen heeft bovendien een topologisch karakter dat ruimte biedt aan de gezochte Majorana-toestanden. De onderzoekers willen nu dezelfde meetmethode toepassen op andere kandidaat-materialen, in de hoop een stof te vinden die bij een nog hogere temperatuur spin-triplet supergeleiding vertoont.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Als wetenschappers spin-triplet supergeleiders beter leren begrijpen en bij hogere temperaturen kunnen laten werken, komt een belangrijk bouwblok voor foutbestendige kwantumcomputers dichterbij. De Majorana-toestanden die in dit soort materialen kunnen ontstaan, gelden als een van de meest kansrijke routes om rekenfouten in kwantumchips structureel te verminderen. Deze ontdekking geeft onderzoekers bovendien een concreet, goed meetbaar materiaal om die theorie verder te testen.
- Supergeleiding
- Het verschijnsel waarbij een materiaal onder een bepaalde temperatuur stroom geleidt zonder elektrische weerstand.
- Spin-triplet supergeleiding
- Een zeldzame vorm van supergeleiding waarbij gekoppelde elektronen een gecombineerde spin van één hebben, in plaats van de spin nul die bij gewone supergeleiders voorkomt.
- Cooperpaar
- Twee elektronen die samen een koppel vormen en zo, zonder weerstand te ondervinden, door een supergeleider bewegen.
- Kwantumspin
- Een intrinsieke eigenschap van deeltjes zoals elektronen, te vergelijken met een richting van draaiing, die bepaalt hoe ze op magneetvelden en op elkaar reageren.
- Majorana-toestand
- Een bijzonder quasideeltje dat kan ontstaan in bepaalde supergeleiders en dat wordt gezien als veelbelovende bouwsteen voor foutbestendige kwantumcomputers.
- Tijdomkeersymmetrie
- Een natuurkundig principe dat inhoudt dat een proces er hetzelfde uitziet als de tijd wordt teruggedraaid; in sommige supergeleidende fasen wordt deze symmetrie doorbroken.
- Topologische supergeleider
- Een supergeleider waarvan de elektronische eigenschappen een beschermd, globaal patroon vormen dat ongevoelig is voor kleine verstoringen, en die daardoor plek kan bieden aan Majorana-toestanden.
- NMR (kernspinresonantie)
- Een meettechniek die met magneetvelden en radiogolven de elektronische omgeving rond atoomkernen in een materiaal blootlegt.
- Kelvin
- De natuurkundige temperatuureenheid die begint bij het absolute nulpunt; 6,2 Kelvin komt overeen met ongeveer min 267 graden Celsius.
- Fouttolerant kwantumcomputen
- Een vorm van kwantumcomputen waarbij rekenfouten, die normaal snel optreden door verstoringen, structureel worden onderdrukt of gecorrigeerd.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
