Chiral Majorana hinge modes on a curved surface with magnetic impurities

In de zoektocht naar het bouwen van een kwantumcomputer die geen informatie verliest door de kleinste trilling of warmte, zoeken wetenschappers naar een zeer specifiek soort deeltje. Ze zoeken naar een aggregatietoestand waarin elektronen zich als spoken gedragen, bestaande op twee plaatsen tegelijk en hun eigen geheimen beschermen. Deze ongrijpbare toestand wordt een topologische supergeleider genoemd. In deze materialen fungeert het oppervlak als een snelweg voor deeltjes die bekend staan als Majorana-modi. Deze deeltjes zijn hun eigen antideeltjes en, cruciaal, ze kunnen zo worden gerangschikt dat ze eendimensionale lijnen vormen die extreem stabiel zijn tegen fouten. Als onderzoekers erin slagen deze lijnen te isoleren en te controleren, zouden ze ze kunnen gebruiken als de bouwstenen voor een nieuw soort kwantumgeheugen dat veel robuuster is dan alles wat momenteel mogelijk is. De uitdaging is altijd geweest hoe men de juiste omstandigheden kan creëren voor het verschijnen van deze lijnen zonder de delicate toestand van het materiaal zelf te vernietigen.

Jarenlang bestond de standaardmethode om deze beschermende lijnen te creëren uit het aanbrengen van een sterk magnetisch veld op het oppervlak van een driedimensionale supergeleider. Het idee was dat het magnetische veld zou fungeren als een schakelaar, die de eigenschappen van het oppervlak op een manier zou veranderen waardoor de Majorana-deeltjes langs een specifieke lijn zouden verzamelen, vergelijkbaar met water dat naar het laagste punt van een vallei stroomt. Er zat echter een grote fout in deze aanpak. Naarmate het magnetische veld sterker werd om de noodzakelijke omstandigheden te creëren, begon het ook de elektronen in het materiaal in cirkels te laten bewegen, wat elektrische stromen creëerde die het oppervlak dat de wetenschappers juist wilden bestuderen, vervormden. Uiteindelijk werd deze vervorming zo sterk dat het het magnetische effect overstemde, waardoor het onmogelijk werd om de stabiele lijnen te creëren die nodig zijn voor kwantumcomputing. Hoe sterker het veld, hoe harder het materiaal terugvocht, waardoor het experiment werd verpest. De sterkere het veld, hoe meer het materiaal terugvocht, wat het experiment verpestte.

Een team van onderzoekers heeft nu een ander pad voorgesteld dat dit conflict volledig vermijdt. In plaats van te vertrouwen op een krachtig extern magnetisch veld om al het werk te doen, suggereren zij het besprenkelen van het oppervlak van de supergeleider met kleine magnetische onzuiverheden—atomen die fungen als miniature magneten. Deze onzuiverheden interageren met de oppervlakte-deeltjes via een kracht die exchange coupling wordt genoemd, een kwantummechanische handdruk tussen de onzuiverheid en het elektron. Deze interactie creëert een lokaal magnetisch effect dat sterk genoeg is om de oppervlakte-eigenschappen te veranderen, maar het genereert niet de verstorende cirkelvormige stromen die een groot extern veld zou veroorzaken. De onderzoekers ontdekten dat deze onzuiverheden niet alleen passief aanwezig zijn; ze communiceren met elkaar via de oppervlakte-deeltjes. Dit gesprek, bekend als de RKKY-interactie, zorgt ervoor dat de onzuiverheden spontaan een specifiek patroon aannemen.

Op een bolvormig oppervlak creëert deze spontane ordening een vorm die lijkt op een hegdehog (eenegel), waarbij alle kleine magnetische momenten recht naar buiten vanuit het centrum wijzen. Hoewel dit hegdehog-patroon stabiel is, bedekt het het gehele oppervlak en verbergt het de speciale lijnen die de wetenschappers nodig hebben. De onderzoekers ontdekten echter dat het aanbrengen van een zeer zwak magnetisch veld langs de as van de bol de zaak verandert. Dit zwakke veld is niet sterk genoeg om de verstorende stromen te veroorzaken, maar is net sterk genoeg om de onzuiverheden te overtuigen zichzelf te herschikken. In plaats van overal naar buiten te wijzen, wijzen de onzuiverheden op de bovenste helft van de bol naar buiten, terwijl die op de onderste helft naar binnen wijzen. Dit creëert een grens, of een wand, precies rond het midden van de bol, de evenaar.

Bij deze evenaar klappen de magnetische eigenschappen van het oppervlak van de ene richting naar de andere. Deze omschakeling is precies wat nodig is om een enkele, zuivere lijn van Majorana-deeltjes te vangen. De onderzoekers toonden aan, via gedetailleerde berekeningen en computersimulaties, dat deze lijn zich precies bij de evenaar verschijnt, beschermd door de symmetrie van de bol. Het magnetische veld dat nodig is om deze toestand te creëren is ongelooflijk klein, veel zwakker dan de niveaus die de materiaalvervorming zouden veroorzaken. Het zware werk wordt gedaan door de onzuiverheden zelf, die zich organiseren in deze specifieke wandstructuur, terwijl het externe veld simpelweg fungeert als een selector om deze ordening boven de hegdehog-configuratie te kiezen.

De studie bevestigt dat deze opstelling een tweede-orde topologische supergeleider creëert, een zeldzame aggregatietoestand waarbij de bescherming niet op het oppervlak bestaat, maar op een lijn waar twee oppervlakken elkaar raken. De onderzoekers verifieerden hun bevindingen met behulp van klassieke computersimulaties die het gedrag van honderden onzuiverheden op een bol modelleerden. Ze ontdekten dat de overgang van de hegdehog-toestand naar de equatoriale wandtoestand plaatsvindt bij een specifieke, voorspelbare veldsterkte die afhangt van de afstand tussen de onzuiverheden en de grootte van de bol. Zodra deze wand zich vormt, blijft de Majorana-lijn stabiel, zelfs als het veld verder toeneemt, waarbij de onzuiverheden simpelweg iets meer naar het veld toe kantelen zonder het patroon te breken. Dit werk suggereert dat door een klein kristal of deeltje te decoreren met magnetische atomen, wetenschappers de ideale omgeving voor deze kwantumdeeltjes kunnen creëren zonder de destructieve bijwerkingen van sterke magneten. Als materialen zoals UTe2 kunnen worden bevestigd als dragers van dit specifieke type supergeleidendheid, kan deze methode een praktische route bieden naar het bouwen van de stabiele kwantumcircuits die nodig zijn voor de toekomst van computing.