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I nanofili ultrasottili potrebbero essere un vantaggio per il calcolo quantistico resistente agli errori

Timestamp: 27 maggio 2022 5:00

I ricercatori hanno fabbricato nanofili ibridi semiconduttori-superconduttori ultrasottili che misurano meno di 20 nm di diametro. Tali fili sono più sottili di quelli cresciuti in precedenza e si prevede che ospitino fenomeni noti come modalità zero di Majorana, l'ingrediente principale dei cosiddetti bit quantistici topologici (qubit), che potrebbero costituire la base di un computer quantistico stabile e resistente agli errori.

In origine, i modi zero di Majorana (MZM) erano semplicemente una costruzione matematica che permetteva di descrivere teoricamente un elettrone come composto da due metà. Dal punto di vista del calcolo quantistico, sono attraenti perché se un elettrone può essere "diviso" in due, l'informazione quantistica che codifica sarà protetta dalle perturbazioni locali fintanto che i "mezzi elettroni" possono essere immagazzinati lontano l'uno dall'altro. Secondo la teoria, queste entità dovrebbero apparire in un allestimento costituito da un nanofilo semiconduttore avvolto in un involucro di materiale superconduttore e posto in un campo magnetico.

In teoria, il tipo più semplice di nanofilo in cui dovrebbero apparire gli MZM è un sistema elettronico unidimensionale, ovvero uno in cui gli elettroni occupano una singola sottobanda elettronica nel semiconduttore. Negli esperimenti, tuttavia, sono occupate più sottobande.

nanofili ibridi semiconduttori-superconduttori ultrasottili
I nanofili ibridi ultrasottili semiconduttore-superconduttore e le misurazioni delle caratteristiche di trasporto. (Per gentile concessione di H Zhang)

Diametro inferiore a 20 nm

In un nuovo studio, i ricercatori guidati da Jianhua Zhao e Dong Pan del State Key Laboratory of Superretices and Microstructures, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, sono cresciuti nanofili ultrasottili del semiconduttore arseniuro di indio (InAs) ricoperti da un on-site film di alluminio superconduttore epitassiale (Al) utilizzando una tecnica chiamata epitassia a fascio molecolare (MBE). Hanno usato un catalizzatore d'argento (Ag) per far crescere i fili, una tecnica abitualmente impiegata in questo tipo di esperimento. I nuovi nanofili hanno un diametro inferiore a 20 nm, che è cinque volte più piccolo dei nanofili semiconduttori precedentemente cresciuti utilizzando questo approccio.

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Il diametro dei fili dipende dal diametro del catalizzatore di Ag e Zhao spiega che è possibile preparare catalizzatori di Ag molto piccoli (da 5 a 40 nm) utilizzando il sistema MBE del team. La qualità cristallina dei fili dipende anche dal loro diametro e i fili cresciuti nel nuovo studio sono di alta qualità.

Nuova strada per le future ricerche di MZM

«Se combinati con film superconduttori di Al, questi fili ultrasottili offrono un modo possibile per raggiungere il regime di meno sottobande (e in definitiva il regime di sottobanda singola)» Hao Zhang of Università di Tsinghua, che ha guidato le misurazioni del trasporto di elettroni nel lavoro, racconta Mondo della fisica. "Questi cavi aprono quindi una nuova strada per esplorare meno regimi di sottobanda per le future ricerche MZM".

Grazie alle misurazioni delle caratteristiche di trasporto di base, i ricercatori hanno già scoperto due fenomeni nel loro sistema: un gap superconduttore "duro" nelle misurazioni della spettroscopia di tunneling; e un "blocco di Coulomb che preserva la parità" nei cosiddetti dispositivi di isole ibride. Entrambi i fenomeni sono ingredienti cruciali per le future ricerche di Majorana, spiega Zhang.

Il team afferma che ora sta cercando prove più solide per gli MZM misurando le proprietà di trasporto quantistico delle sue strutture di nanofili InAs-Al ultrasottili.

Il lavoro è dettagliato in Lettere cinesi di fisica.

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