Nanostrookjes mogelijk bruikbaar voor quantumcomputers

Kwantumsystemen gedragen zich anders, afhankelijk van het aantal dimensies. Zo hebben tweedimensionale nanobanden andere eigenschappen dan eendimensionale systemen. Tweedimensionale topologische isolatoren zijn bijzondere materialen in de natuurkunde. De binnenkant werkt als een isolator, maar langs de randen stroomt elektriciteit zonder weerstand.

Kan het kleiner?
Vanwege deze eigenschappen zijn topologische isolatoren belangrijke kandidaten voor kwantumcomputers en voor de volgende generatie laagenergetische elektronica. “Maar terwijl we proberen om apparaten kleiner en efficiënter te maken, zijn er belangrijke vragen die onbeantwoord zijn gebleven”, zegt Pantelis Bampoulis, een van de onderzoekers.

“Wat is bijvoorbeeld de kleinste afmeting waarin een topologisch materiaal zijn tweedimensionale eigenschappen behoudt? En wat gebeurt er als we het materiaal kleiner maken?”, vervolgt Bampoulis. De onderzoekers onderzochten deze vragen in hun nieuwste onderzoek met behulp van nanobanden gemaakt van germaneen. Germaneen is een atomair dunne laag van germaniumatomen met unieke topologische eigenschappen.

Nanobanden van Germaneen
“In ons onderzoek hebben we nanobanden van germaneen gemaakt. Dit zijn structuren die slechts een paar nanometer breed zijn, maar honderden nanometers lang. Met die nanobanden hebben we zowel theoretisch als experimenteel bestudeerd hoe de topologische randtoestanden veranderen naarmate de banden dunner en dunner worden”, vertelt Dennis Klaassen, promovendus onder leiding van Bampoulis en eerste auteur van het onderzoek.

De onderzoekers ontdekten dat de nanobanden hun topologische randtoestanden behouden tot een breedte van ongeveer twee nanometer. Worden de banden smaller dan deze breedte dan gebeurt er iets opmerkelijks. De randtoestanden die je normaal aantreft in germaneen nanobanden verdwijnen en in plaats daarvan verschenen er nieuwe kwantumtoestanden gelokaliseerd aan de uiteinden van de nanobanden. Deze eindtoestanden worden beschermd door fundamentele symmetrieën en wijzen op het ontstaan van een eendimensionale topologische isolator.

Mogelijke kwantumtoepassingen
De eindtoestanden zijn erg stabiel ten opzichte van defecten en andere lokale onzuiverheden. Dit maakt ze ideaal voor kwantumtechnologie, zoals van foutbestendige qubits. “Wat opvalt is dat deze toestanden lijken op Majorananulmodi, mysterieuze deeltjes die wetenschappers al fascineren sinds hun voorspelling. Hoewel we niet direct met Majorananulmodi werken, laat ons onderzoek zien hoe je zulke fenomenen kunt bestuderen in een eendimensionaal materiaal met sterke spin-baankoppeling”, zegt Bampoulis. “Daarnaast kunnen we met onze productiemethode dichte netwerken van topologische randtoestanden maken. Hierdoor kan stroom vloeien zonder energieverlies, een belangrijke stap richting energiezuinige elektronica,” voegt Klaassen toe.