新混合材料為更穩定量子電腦奠基

將兩種具有特殊電學特性的材料（單層超導體和拓撲絕緣體）結合起來的新方法，為探索拓撲超導這種不尋常形式提供了迄今為止的最佳平臺。美國賓夕法尼亞大學研究人員在近日《自然·材料》雜誌發表的一篇論文中描述了如何將這兩種材料“配對”。這種組合為拓撲量子電腦提供比傳統電腦更穩定的基礎。

超導體允許電流在沒有阻力的情況下通過，而拓撲絕緣體是只有幾個原子厚的薄膜，可限制電子向其邊緣移動，從而産生獨特的特性。

在這項研究中，研究人員使用了分子束外延技術來合成拓撲絕緣體和超導薄膜，並創建了一個二維異質結構，這是探索拓撲超導現象的絕佳平臺。在先前結合這兩種材料的實驗中，一旦拓撲絕緣層在頂部生長，薄膜中的超導性通常會消失。在實驗室中，物理學家可將拓撲絕緣體薄膜添加到三維“體”超導體上，並保留這兩種材料的特性。但拓撲超導體的應用，例如量子電腦或智慧手機中的低功耗晶片，需要的是二維産品。

在最新研究中，團隊在單層二硒化鈮製成的超導薄膜上堆疊了不同厚度的硒化鉍製成的拓撲絕緣體薄膜，得到了最終的二維産品。通過在非常低的溫度下合成異質結構，團隊能夠同時保留其拓撲和超導特性。

巧妙地調整拓撲絕緣體的厚度後，研究人員發現異質結構從伊辛型超導（電子自旋垂直于薄膜）轉變為拉什巴型超導（電子自旋與薄膜平行），研究人員在理論計算和模擬中也觀察到了這種現象。這種異質結構也可能是探索馬約拉納費米子的重要途徑。馬約拉納費米子是一種難以捉摸的粒子，在使拓撲量子電腦比其前輩更穩定的道路上，馬約拉納費米子將是一個關鍵因素。

研究人員表示，他們將在後續工作中找到拓撲超導的證據，而一旦獲得了拓撲超導性的確鑿證據並證明了馬約拉納物理學，那麼這種類型的系統就可適用於量子計算和其他應用。