Eurooppalaiset tutkijat etsivät grafeenista vaihtoehtoa tulevaisuuden kvanttitietokoneiden kubittien materiaaliksi. Tutkijat ovat osoittaneet, että magneettisuus ja suprajohtavuus voivat esiintyä samaan aikaan grafeenissa. Tämä mahdollistaa grafeeniin pohjautuvat topologiset kubitit.

Espanjan AUM-yliopiston, Ranskan kansallisen CNRS-tutkimuskeskuksen ja Portugalin INL-nanotutkimuslaboratorion kokeelliset tutkijat ovat Aallon professori Jose Ladon teoreettisen osaamisen tuella onnistuneet ottamaan ensimmäisen askeleen kohti grafeenista tehtyjä topologisia kubitteja.

Tutkijat ovat yhdistäneet grafeenin kidevirheistä aiheutuvan magneettisuuden sekä grafeenin pinnalle kerrostettujen pienenpienten metallisaarekkeiden vaikutuksesta muodostuvan suprajohtavuuden. Normaalisti magneettisuus ja suprajohtavuus eli sähkövastuksen katoaminen ovat toisensa poissulkevia ilmiöitä.

”Osoitimme, että topologinen suprajohtavuus on mahdollista. Kvanttimaailman kaksi tärkeää ominaisuutta, suprajohtavuus ja magneettisuus, voivat esiintyä grafeenissa samaan aikaan”, Aalto-yliopiston Jose Lado sanoo.

Tutkijat saivat läpimurron aikaan yhdistämällä grafeenin kidevirheistä aiheutuvan magneettisuuden sekä grafeenin pinnalle kerrostettujen pienenpienten metallisaarekkeiden vaikutuksesta muodostuvan suprajohtavuuden. Tutkijat päätyivät yhdestä hiiliatomikerroksesta koostuvaan grafeeniin, koska se on helposti hallittava ja yleinen materiaali, ja sitä pidetään tärkeänä kvanttiteknologioiden näkökulmasta.

Aalto-yliopiston tutkijat ovat aikaisemmin onnistuneet muun muassa saamaan aikaan kvanttilomittumista kerrostamalla grafeeni- ja suprajohde-elektrodeja ja luomaan uuden, kvanttitietokoneisiin riittävän nopean säteilyilmaisimen grafeenipalasta. Tutkijat onnistuivat kokeellisesti hallitsemaan tarkasti suunniteltua ja teoreettisesti mallintamaansa systeemiä, ja sen avulla havaitsemaan grafeenissa samanaikaisesti sekä magneettisuuden että suprajohtavuuden.

Topologisten suprajohtavien materiaalien aikaansaaminen vaatii lisäksi, että magneettisuutta ja suprajohtavuutta pystytään kontrolloimaan ja hienosäätämään. ”Tässä tutkimuksessa emme vielä pystyneet havaitsemaan topologista suprajohtavuutta, mutta jatkamme tutkimusta kohti hiilipohjaisia topologisia kubitteja”, Lado sanoo.

Tutkimus voi avata väylän kohti topologisia ja hiilipohjaisia kvanttitietokoneita. Kvanttitilojen tulee säilyä riittävän pitkään, jotta niillä voi toteuttaa kvanttilaskentaa. Topologiset kubitit ovat kiinnostava vaihtoehto tulevaisuuden kvanttitietokoneisiin, koska ne eivät ole yhtä herkkiä ympäristön häiriötekijöille kuin perinteiset kubitit.

Viime vuonna ryhmä Aalto-yliopiston ja Tampereen yliopiston teoreettisia ja kokeellisia fyysikoita onnistui ensimmäistä kertaa luomaan topologisen suprajohteen yhdistämällä hyvin ohuen kerroksen suprajohtavaa ja magneettista materiaalia.

Lisää: Tutkijoiden artikkeli tiedelehti Advanced Materialissa (LINKKI).

Kuva: Tutkijat yhdistivät grafeenin kidevirheistä aiheutuvan magneettisuuden sekä grafeenin pinnalle kerrostettujen pienenpienten metallisaarekkeiden vaikutuksesta muodostuvan suprajohtavuuden. Kuva: Jose Lado, Aalto-yliopisto.