物理学：修饰的超导体突触，揭示了外来电子的行为？
当电子携带电流时，电子往往会相互避开。但某些冷却到接近零温度的装置可以将这些孤独的颗粒从壳体中哄骗出来。在极端情况下，电子会以不寻常的方式相互作用，从而导致出现奇怪的量子实体。
在联合量子研究所（JQI），由Jimmy Williams领导的一个小组正致力于开发可以容纳这些异国情调的新电路。“在我们的实验室中，我们希望以恰当的方式组合材料，以便突然，电子根本不像电子那样，”威廉姆斯说，他是JQI研究员和马里兰大学物理系助理教授。“相反，表面电子一起移动，以揭示有趣的量子态，它们可以像新粒子一样表现出来。”
这些状态具有可能使它们在未来的量子计算机中有用的特征：它们似乎固有地受到保护，免受制造电路中发现的破坏性但不可避免的缺陷。正如最近在“物理评论快报”中所描述的那样，威廉姆斯和他的团队已经重新配置了一个主力超导体电路 - 一个约瑟夫森结 - 包括一种怀疑具有提高免疫力的量子态的材料。
约瑟夫森结是由两个超导体组成的电突触，所述两个超导体由第二材料的薄带分开。通过条带的电子运动通常由绝缘体制成，对下面的材料特性以及周围环境敏感。科学家可以利用这种灵敏度来检测微弱的磁场等微弱信号。在这项新的研究中，研究人员用一小部分拓扑结晶绝缘体（TCI）取代了绝缘体，并检测出潜伏在电路表面的外来量子态的迹象。
新研究的第一作者，物理学研究生罗德尼·斯奈德说，这个研究领域充满了未解决的问题，直到将这些材料整合到电路中的实际过程。对于这种新设备，研究团队发现超出正常水平的复杂材料科学，他们需要一点运气。
“我一次制作16到25个电路。然后，我们检查了一堆这些电路，它们都会失败，这意味着它们甚至不会像基本的约瑟夫森结合，”斯奈德说。“我们最终发现，使它们工作的方法是在制造过程中加热样品。我们只发现了这个关键的加热步骤，因为一个批次在侥幸上被意外加热，基本上当系统被破坏时。”
一旦他们克服了技术挑战，该团队就开始寻找奇怪的量子态。他们检查了通过TCI区域的电流，并且与普通绝缘子相比，看到了显着的差异。在传统的交叉点中，电子就像汽车一样偶然地试图越过单车道桥。TCI似乎通过在两个地点之间开辟定向交通车道来组织过境。
实验还表明，这些通道是螺旋形的，这意味着电子的量子自旋可以向上或向下定向，确定其行进方向。因此，在TCI条带中，上下旋转向相反方向移动。这类似于根据车辆颜色限制交通的桥梁 - 蓝色车辆向东行驶，红色车辆向西行驶。当存在时，这些类型的通道表示外来电子行为。
正如精心设计的桥梁确保安全通过一样，TCI结构在电子传输中起着至关重要的作用。在这里，材料的对称性，由基础原子排列决定的属性，保证双向交通车道保持开放。威廉姆斯说：“对称性就像表面状态的保镖一样，意味着晶体可以有缺陷，只要整体对称性没有变化，量子态仍然存在。”
JQI和其他地方的物理学家此前曾提出，内置保镖可以屏蔽微妙的量子信息。根据威廉姆斯的说法，实施此类保护将是量子电路向前迈出的重要一步，量子电路容易因环境干扰而失效。
近年来，物理学家发现了许多具有受保护的旅行车道的有前途的材料，研究人员已经开始实施一些理论建议。TCI是一个吸引人的选择，因为与传统的拓扑绝缘体不同，这些拓扑绝缘体通常由自然界提供，这些材料允许一些车道定制。目前，威廉姆斯正与陆军研究实验室的材料科学家合作，在制造过程中定制行车道。这可以使研究人员能够定位和操纵量子态，这是构建基于拓扑材料的量子计算机所必需的步骤。
除了量子计算之外，威廉姆斯还受到基本物理问题探索的推动。“我们真的不知道你从这些更奇特的国家的集合中得到了什么样的量子物质，”威廉姆斯说。“我认为，除了量子计算之外，当你处理这些奇怪的状态时，会发生许多有趣的物理过程。”
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