Aalto-yliopiston tutkijat ovat onnistuneet ensimmäisinä maailmassa yhdistämään kaksi äärimmäisen ohutta tantaalidisulfidikerrosta niin, että elektronit käyttäytyivät syntyneessä kvanttitilassa tavalla, joka on aikaisemmin vaatinut harvinaisia maametallien yhdisteitä. Uusi materiaali voi soveltua kvanttilaskentaan.
Lisäksi uusi materiaali voi edistää epätavanomaisen suprajohtavuuden ja kvanttikriittisyyden eli materiaalien yhdestä kvanttitilasta toiseen siirtymisen tutkimusta. Materiaalin etu on myös kohtuullisen helppo valmistusprosessi. Tutkimuksen tulokset on julkiastu Nature-lehdessä.
Tutkijoiden alkuperäinen tavoite oli luoda kvanttispinneste, jonka avulla he voisivat tutkia uudenlaisia kvantti-ilmiöitä. Kvanttispinneste käyttäytyy magneettisen nesteen tavoin, mutta se ei jähmety tai järjestäydy edes absoluuttisessa nollapisteessä.
Kokeessa käytetty tantaalidisulfidi on siirtymämetallidikalkogenideihin kuuluva materiaali, jolla on useita eri kidemuotoja. Yhden atomikerroksen paksuinen tantalumdisulfidi voi olla joko kvanttispinneste tai suprajohde, joka tarkoittaa, että sähkö pääsee kulkemaan täysin ilman vastusta. Valmistusprosessissa syntyy sekä yhden että kahden atomikerroksen paksuisia saarekkeita, joissa on molempia kidemuotoja.
Kun tutkijat tarkastelivat kahden atomikerroksen paksuisia saarekkeita, he havaitsivat kerrosten välissä ilmiön, jota kutsutaan Kondo-tilaksi. Kondo-ilmiö syntyy magneettisten epäpuhtauksien ja elektronien välisestä vuorovaikutuksesta, joka johtaa siihen, että materiaalin sähkövastus muuttuu lämpötilan muuttuessa. Vuorovaikutus saa myös elektronit käyttäytymään kuin niillä olisi enemmän massaa kuin niillä todellisuudessa on. Siksi yhdisteitä kutsutaan raskaiksi fermionimateriaaleiksi.
Ilmiö on aikaisemmin ollut mahdollinen vain harvinaisia maametalleja sisältävissä yhdisteissä. Raskaat fermionimateriaalit ovat tärkeitä esimerkiksi uusien kvanttimateriaalien luomisessa. Niiden avulla voidaan saada aikaan esimerkiksi topologista suprajohtavuutta. Se voi auttaa rakentamaan paremmin ympäristön häiriöitä kestäviä kubitteja, mikä vähentää virheitä ja kvantti-informaation haihtumista kvanttitietokoneiden kubiteista.
Vaikka kerrokset ovat samaa tantaalidisulfidia, niiden ominaisuudet poikkeavat aavistuksen toisistaan. Yksi kerros käyttäytyy kuten metalli ja johtaa elektroneja, kun taas toisessa kerroksessa on rakenteellinen muutos, joka johtaa siihen, että elektronit pysyvät säännönmukaisessa hilassa. Kun kerrokset yhdistetään, lopputulokseksi saadaan materiaali, jonka ominaisuudet poikkeavat kummastakin siihen yhdistetystä kerroksesta – ja joka käyttäytyy raskaiden fermionimateriaalien tavoin.
Uutta raskasta fermionimateriaalia voidaan hyödyntää myös kvanttikriittisyyden tutkimisessa. Tutkijat käyttivät materiaalien tutkimiseen tunnelointimikroskooppia, joka ottaa atomitason kuvia sekä mahdollistaa materiaalien sähköisten ominaisuuksien tutkimisen atomitasolla.
Taiteellinen näkemys kvanttilomittuneesta tilasta. Kuva: Heikka Valja
