物理學：修飾的超導體突觸，揭示了外來電子的行為？

當電子攜帶電流時，電子往往會相互避開。但某些冷卻到接近零溫度的裝置可以將這些孤獨的顆粒從殼體中哄騙出來。在極端情況下，電子會以不尋常的方式相互作用，從而導致出現奇怪的量子實體。

在聯合量子研究所（JQI），由Jimmy Williams領導的一個小組正致力於開發可以容納這些異國情調的新電路。“在我們的實驗室中，我們希望以恰當的方式組合材料，以便突然，電子根本不像電子那樣，”威廉姆斯說，他是JQI研究員和馬里蘭大學物理系助理教授。“相反，表面電子一起移動，以揭示有趣的量子態，它們可以像新粒子一樣表現出來。”

這些狀態具有可能使它們在未來的量子計算機中有用的特徵：它們似乎固有地受到保護，免受制造電路中發現的破壞性但不可避免的缺陷。正如最近在“物理評論快報”中所描述的那樣，威廉姆斯和他的團隊已經重新配置了一個主力超導體電路 - 一個約瑟夫森結 - 包括一種懷疑具有提高免疫力的量子態的材料。

約瑟夫森結是由兩個超導體組成的電突觸，所述兩個超導體由第二材料的薄帶分開。通過條帶的電子運動通常由絕緣體制成，對下面的材料特性以及周圍環境敏感。科學家可以利用這種靈敏度來檢測微弱的磁場等微弱信號。在這項新的研究中，研究人員用一小部分拓撲結晶絕緣體（TCI）取代了絕緣體，並檢測出潛伏在電路表面的外來量子態的跡象。

新研究的第一作者，物理學研究生羅德尼·斯奈德說，這個研究領域充滿了未解決的問題，直到將這些材料整合到電路中的實際過程。對於這種新設備，研究團隊發現超出正常水平的複雜材料科學，他們需要一點運氣。

“我一次製作16到25個電路。然後，我們檢查了一堆這些電路，它們都會失敗，這意味著它們甚至不會像基本的約瑟夫森結合，”斯奈德說。“我們最終發現，使它們工作的方法是在製造過程中加熱樣品。我們只發現了這個關鍵的加熱步驟，因為一個批次在僥倖上被意外加熱，基本上當系統被破壞時。”

一旦他們克服了技術挑戰，該團隊就開始尋找奇怪的量子態。他們檢查了通過TCI區域的電流，並且與普通絕緣子相比，看到了顯著的差異。在傳統的交叉點中，電子就像汽車一樣偶然地試圖越過單車道橋。TCI似乎通過在兩個地點之間開闢定向交通車道來組織過境。

實驗還表明，這些通道是螺旋形的，這意味著電子的量子自旋可以向上或向下定向，確定其行進方向。因此，在TCI條帶中，上下旋轉向相反方向移動。這類似於根據車輛顏色限制交通的橋樑 - 藍色車輛向東行駛，紅色車輛向西行駛。當存在時，這些類型的通道表示外來電子行為。

正如精心設計的橋樑確保安全通過一樣，TCI結構在電子傳輸中起著至關重要的作用。在這裡，材料的對稱性，由基礎原子排列決定的屬性，保證雙向交通車道保持開放。威廉姆斯說：“對稱性就像表面狀態的保鏢一樣，意味著晶體可以有缺陷，只要整體對稱性沒有變化，量子態仍然存在。”

JQI和其他地方的物理學家此前曾提出，內置保鏢可以屏蔽微妙的量子信息。根據威廉姆斯的說法，實施此類保護將是量子電路向前邁出的重要一步，量子電路容易因環境干擾而失效。

近年來，物理學家發現了許多具有受保護的旅行車道的有前途的材料，研究人員已經開始實施一些理論建議。TCI是一個吸引人的選擇，因為與傳統的拓撲絕緣體不同，這些拓撲絕緣體通常由自然界提供，這些材料允許一些車道定製。目前，威廉姆斯正與陸軍研究實驗室的材料科學家合作，在製造過程中定製行車道。這可以使研究人員能夠定位和操縱量子態，這是構建基於拓撲材料的量子計算機所必需的步驟。