即使是最快的超級電腦也難以完成一些複雜的任務，例如發現新藥或破解高級加密。量子電腦有一天可以解決這些挑戰，但它們依賴被稱為拓撲超導體的稀有材料，眾所周知，這種材料很難製造和控制。
芝加哥普利茲克分子工程學院 (UChicago PME) 和西維吉尼亞大學的研究人員現在展示了一種使這些材料可用的實用方法。透過稍微調整化學公式，他們能夠改變材料內相互作用的電子數量，從而形成拓樸超導狀態。
團隊專注於由碲和硒兩種元素製成的超薄膜。透過仔細改變這些元素的比例，他們發現可以將材料從一種量子相推向另一種量子相，包括拓樸超導相。
他們的結果發表在 自然通訊顯示改變碲和硒之間的比例會改變電子交互作用的強度。這些電子相關性就像是一種調諧機制，使科學家能夠故意設計出不尋常的量子態。
「我們可以像調節錶盤一樣調整這種相關效應，」芝加哥大學 PME 研究生、這項新作品的第一作者 Haoran Lin 說。 “如果相關性太強，電子就會凍結在原地。如果它們太弱，材料就會失去其獨特的拓撲特性。但在正確的水平上，你就會得到拓撲超導體。”
「這為量子材料研究開闢了一個新方向，」分子工程學助理教授、這項新工作的主要作者楊碩龍說。 “我們開發了一種強大的工具來設計下一代量子計算機所需的材料。”
碲化鐵硒化物和競爭性量子效應
這項研究的核心材料是最近發現的碲化鐵硒化物，它以將超導性與不尋常的拓撲行為相結合而聞名。
西維吉尼亞大學物理學助理教授、這篇新論文的作者 Subhasish Mandal 表示：“這是一種獨特的材料，因為它包含了人們在拓撲超導平台中所期望的所有關鍵組件：超導本身、強自旋軌道耦合和顯著的電子相關性。” “這種組合使得該系統成為研究不同量子的理想選擇。”
此前，科學家以晶體形式生產了這種材料，並觀察到了有趣的量子態。然而，塊狀晶體很難處理，而且它們的化學成分可能因地區而異，因此更難以獲得一致的結果。
用於穩定量子裝置的薄膜
拓樸超導體對量子技術特別有吸引力，因為它們的拓樸狀態自然穩定，且不易受到干擾大多數量子系統的雜訊的影響。
楊的團隊開發的超薄膜與其他拓樸超導體候選材料相比具有多種優勢。它們的工作溫度為 13 開爾文，而鋁製平台的工作溫度約為 1 開爾文。這種較高的工作溫度有利於使用標準液態氦系統進行冷卻。此外，薄膜提供了更好的均勻性，並且比塊狀晶體更適合現代裝置製造技術。
「如果你試圖將這種材料用於實際應用，你需要能夠將其生長成薄膜，而不是試圖剝落成分不一致的岩石層，」林解釋道。
幾個研究小組已經與楊的團隊合作，對這些薄膜進行建模並建構原型量子設備。同時，研究人員正在繼續研究薄膜碲化鐵硒化物的其他特性，以便更好地了解其在下一代量子運算中的潛力。
