新材料中的电子沿着量子高速公路飞奔

芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PME)的研究人员发现了一种新的材料--MnBi6Te10，它可以用来创建电子可以沿其移动的量子高速公路。这些电子大道有可能在连接强大、节能的量子计算机的内部组件方面发挥作用。

当电子在传统的金属线中移动时，它们会失去少量的能量--作为热量，而且它们的一些内在属性也会发生变化。因此，这些电线不能用来连接量子计算机的部件，这些部件以电子的量子特性编码数据。

在《纳米快报》杂志上发表的这项新工作中，研究人员详细介绍了MnBi6Te10如何作为一个 "磁性拓扑绝缘体"，在其周边穿梭电子，同时保持电子的能量和量子特性。

"领导这项研究的杨硕龙助理教授说："我们发现了一种材料，它有可能为电子的流动打开量子高速公路，而没有耗散。"这是走向拓扑量子计算机工程的一个重要里程碑"。

量子连接

量子计算机以量子比特存储数据，这是一种基本的信息单位，表现出包括叠加在内的量子特性。在研究人员努力开发连接这种量子比特--有时以单个电子的形式--的设备的同时，他们还需要能够传输存储在这些量子比特中的信息的新材料。

理论物理学家提出，通过迫使电子在材料边缘的一维传导通道中流动，电子可以在拓扑量子位之间传输。此前的尝试需要极低的温度，对大多数应用来说是不可行的。

"杨说："我们决定研究这种特殊材料的原因是，我们认为它将在一个更现实的温度下工作。

杨的研究小组开始研究MnBi6Te10，使用锰将磁化引入由铋和碲形成的半导体。虽然电子在大多数半导体的内部随机流动，但MnBi6Te10的磁场迫使所有电子在材料的外部排成一条直线。

PME的研究人员获得了MnBi6Te10，它是由毛志强领导的宾夕法尼亚州立大学的二维晶体联盟的合作者制造的。然后，研究小组使用了两种方法的组合--角度分辨光发射光谱和透射电子显微镜(TEM)--来研究MnBi6Te10内的电子是如何表现的，以及电子的运动如何随磁态而变化。TEM实验是与宾夕法尼亚州立大学的Nasim Alem实验室合作进行的。

希望的缺陷

当他们在探测MnBi6Te10的特性时，有一件事一开始让研究小组感到困惑：该材料的一些片断似乎可以很好地作为磁性拓扑绝缘体，而其他片断则不行。

杨说："它们中的一些具有所需的电子特性，而另一些则没有，有趣的是，在它们的结构中很难分辨出区别，"。"当我们进行结构测量，如X射线衍射时，我们也看到了同样的情况，所以这有点神秘。"

然而，通过他们的TEM实验，他们发现所有工作的MnBi6Te10都有一些共同点：以缺失的锰的形式散布在材料中的缺陷。进一步的实验表明，确实需要这些缺陷来驱动磁性状态并使电子流动。

杨说："这项工作的一个非常高的价值是，我们第一次弄清楚了如何调整这些缺陷以实现量子特性，"。

研究人员现在正在寻求在实验室中生长MnBi6Te10晶体的新方法，并探究这种材料的超薄二维版本会发生什么。

除了杨，这项工作的作者还包括PME的本科生Emmanuel Green和Sebastian Fernandez-Mulligan以及PME的博士后学者严晨辉。本科生Jess Ip和PME的研究生Duy Nguyen开发了一个配合研究的图形，被选为《纳米通讯》 的封面。