ライス大学の物理学者は、相変化する量子材料とそれに類似した材料を発見する方法を発見した。この材料は、量子コンピュータに電力が供給されているときでも、情報の量子ビット、つまり量子ビットを保存できるフラッシュ状メモリの作成に使用できる可能性がある。下。
相変化材料は、市販の不揮発性デジタルメモリに使用されています。たとえば、書き換え可能な DVD では、レーザーを使用して材料の微小部分を加熱し、冷却して結晶または非晶質の塊を形成します。非常に異なる光学特性を持つ 2 つの相の材料が、情報のデジタル ビットの 1 と 0 を保存するために使用されます。
最近出版されたオープンアクセス研究では、 ネイチャー·コミュニケーションズ米の物理学者ミン・イー氏と十数機関の三十数人の共著者も同様に、熱を利用して鉄、ゲルマニウム、テルルの結晶を２つの電子相の間で切り替えることができることを示した。これらのそれぞれにおいて、電子の制限された動きにより、トポロジー的に保護された量子状態が生成されます。最終的には、トポロジー的に保護された状態で量子ビットを保存すると、量子コンピューティングを悩ませてきたデコヒーレンス関連のエラーを削減できる可能性があります。
「これは完全に驚きでした」とイー氏はこの発見について語った。 「私たちが最初にこの材料に興味を持ったのは、その磁気特性のためでした。しかし、その後、測定を行ってこの 1 つのフェーズを確認し、次に別の測定でもう 1 つのフェーズを確認することになります。名目上は同じ素材でしたが、結果は大きく異なりました。」
実験で何が起こっているのかを解読するには、2 年以上と数十人の同僚との共同作業が必要でした。研究者らは、実験前に結晶サンプルを加熱した際に、一部の結晶サンプルが他のサンプルよりも早く冷却されていることを発見した。
ほとんどの相変化メモリで使用されている材料とは異なります テクノロジー, Yiらは、相を変化させるために鉄・ゲルマニウム・テルル合金を溶融および再結晶させる必要がないことを発見した。むしろ、空孔として知られる結晶格子内の空の原子サイトが、結晶の冷却速度に応じて異なる順序のパターンで配置されていることを発見した。彼らは、あるパターン化された相から別の相に切り替えるには、結晶を再加熱し、より長い時間またはより短い時間冷却するだけでよいことを示しました。
「材料内の空孔の順序を変えたい場合、通常、すべてを溶かす必要がある温度よりもはるかに低い温度でそれが起こります」とイー氏は述べた。
同氏は、空孔秩序の変化に応じて量子材料のトポロジカル特性がどのように変化するかを調査した研究はほとんどないと述べた。
「これが重要な発見です」と、材料の切り替え可能な空孔順序について彼女は述べた。 「空孔の順序を利用してトポロジーを制御するという考え方が重要です。それは実際には研究されていません。人々は一般に、完全に化学量論的な観点からしか材料を見てきませんでした。つまり、すべてが、ある種の電子トポロジーにつながる固定された一連の対称性で占められているということです。空孔の順序が変化すると格子の対称性が変化します。この研究は、それが電子トポロジーをどのように変えることができるかを示しています。そして、空孔の秩序を利用して、他の材料にもトポロジカル変化を引き起こすことができる可能性が高いと思われます。」
この研究の共著者であるライスの理論物理学者キミアオ・シー氏は、次のように述べている。これにより、まったく予期せぬ、しかし完全に歓迎される理論のスイッチング能力が可能になるだけでなく、強い相関と空間群の対称性の協力を通じて、新しい形態のトポロジーを設計し、制御することを目指しています。」
この研究の筆頭著者は、ライス大学のHan Wu氏とLei Chen氏である。その他のライスの共著者には、Jianwei Huang、Xiaokun Teng、Yucheng Guo、Mason Klemm、Chuqiao Shi、Chandan Setty、Yaofeng Xie、Bin Gao、河野潤一郎、Pengcheng Dai、Yimo Han、Si が含まれます。 Yi、Dai、Han、Kono、Si はそれぞれ、Rice Quantum Initiative および Rice Center for Quantum Materials のメンバーです。
この研究は、ワシントン大学、ロスアラモス国立研究所、韓国の慶熙大学、ペンシルベニア大学、イェール大学、カリフォルニア大学デービス校、コーネル大学、カリフォルニア大学バークレー校、スタンフォード大学の研究者らの共同執筆者である。線形加速器センター国立加速器研究所、ブルックヘブン国立研究所、ローレンス・バークレー国立研究所。