فیلم نازک جدید تلورید آهن به ابررسانایی برای تراشههای کامپیوترهای کوانتومی دست یافت
از RIKEN
ویرایش شده توسط سادی هارلی، مرور شده توسط رابرت ایگان
یادداشتهای ویراستاران
این مقاله بر اساس فرایند و سیاستهای ویراستاری Science X بررسی شده است. ویراستاران ویژگیهای زیر را برجسته کردهاند تا اعتبار محتوا تضمین شود:
تأیید صحت
نشر با بازنگری همتا
منبع معتبر
بازخوانی
اگر محاسبهٔ کوانتومی بخواهد به واقعیتی روزمره تبدیل شود، به فیلمهای نازک ابررسانای بهتری نیاز داریم؛ سختافزاری که امکان ذخیره و پردازش اطلاعات کوانتومی را فراهم میکند. متأسفانه، این فیلمهای نازک اغلب حاوی ناخالصیها یا دیگر نقصهایی هستند که آنها را برای تراشههای واقعی کامپیوترهای کوانتومی نامناسب میسازد.
اکنون، یوکی ساتو و همکارانش در مرکز علم ماده نوظهور ریکن (CEMS) در ژاپن راهی برای ساخت فیلم نازک ابررسانا از تلورید آهن پیدا کردهاند که شگفتآور است، چون این ماده بهطور معمول ابررسانایی نیست.
فرآیند ساخت، انحراف ساختاری بلوری را کاهش میدهد و باعث میشود تا در دماهای بسیار پایین ابررسانا شود؛ در نتیجه برای استفاده در تراشههای کوانتومی مناسب میشود. این پژوهش در Nature Communications منتشر شد.
در محاسبهٔ کوانتومی، اطلاعات اغلب در کیوبیتهایی که در فیلمهای نازک ویژهای وجود دارند رمزنگاری میشود. از آنجا که حالات کیوبیت توسط جریانهای فوقپرهیز الکترونهای جفتدار تعیین میشود، این فیلمهای نازک باید ابررسانا باشند.
نامنظمیها، ناخالصیها و انحرافها در فیلمهای نازک میتوانند کیوبیتها را ناپایدار کنند و دقت عملیات کوانتومی را تحت تأثیر قرار دهند؛ ما نمیخواهیم تراشهٔ کوانتومی داشته باشیم که گاهی میگوید دو بهاضافهٔ دو برابر چهار است و گاهی برابر پنج. تلورید آهن دارای ناخالصیهای کمی است و میتواند مادهٔ مناسبی برای فیلمهای نازک کوانتومی باشد، اما بهطور معمول ابررسانا نیست.
سازگاری شبکهای چیست؟
فیلمهای نازک در فرایندی به نام اپیتاکسی بر روی مادهای دیگر رشد مییابند. هریک از این مواد که بستر (substrates) نامیده میشوند، الگوی اتمی تکراری دارند که به شکل یک شبکه شبیه به گرید میباشد.
هنگامی که فیلم نازک رشد میکند، ساختار اتمی آن تا حد امکان با این شبکه همتراز میشود. بنابراین، فیلمهای نازکی که از همان عناصر ساخته شدهاند میتوانند ساختارهای بلوری کاملاً متفاوتی داشته باشند، بسته به شبکهٔ اتمیای که روی آن رشد میکنند. معمولاً در توسعهٔ فیلمهای نازک جدید، هدف استفاده از بسترِی است که بهترین مطابقت شبکهای — یعنی همترازی اتم به اتم — را با فیلم نازک فراهم کند.
نوآوری این مطالعه این است که ساتو و تیمش بستی استفاده کردند که بهخوبی همراستا نمیشد و در نهایت فیلم نازکی برتر تولید کردند.
پژوهشگران از اپیتاکسی پرتو مولکولی برای پاشش دو پرتو ریز از اتمهای آهن و تلورید بر روی ورق تلورید کادمیوم استفاده کردند. آهن و تلورید سپس بهصورت خودسازماندهی به لایههای بلوری شکل گرفتند اما همراستایی با شبکهٔ اتمی زیرین بهخوبی انجام نشد. در واقع، این همراستایی حدود ۲۰٪ مغرضی بود. چنین انحرافی بزرگ معمولاً به این معناست که فیلم نازک دارای عیوب خواهد بود؛ اما در این مورد نتایج کاملاً برعکس بود.
چه ویژگیای در فیلم نازک جدید متفاوت است؟
فیلم نازک جدید تلورید آهن ابررسانا است، که برای مطالعهٔ پدیدههای کوانتومی و احتمالاً برای استفاده در تراشههای کامپیوتر کوانتومی مناسب میشود. تجزیه و تحلیل با میکروسکوپ الکترونی عبوری اسکنینگ نشان داد که همراستایی مرتبه بالاتری با شبکهٔ اتمی در تلورید کادمیوم حاصل شده است که ساختار بلوری را ثابت میکند.
این همراستایی همانطور که معمولاً همراستایی اتم‑به‑اتم مدنظر است، نبود؛ اما وقتی گروههای اتمی مورد بررسی قرار گرفتند، قابل مشاهده بود. تجزیه و تحلیل با پراش ایکس سینکرون در KEK در تسوکوبا، ژاپن نشان داد که این تغییر ساختاری انحراف شبکهای که بهطور معمول در تلورید آهن حجمی وجود دارد، را کاهش میدهد.
این تحریف است که مانع ابررسانایی در دماهای پایین مورد نیاز برای محاسبهٔ کوانتومی میشود. بدون این تحریف، فیلم جدید تلورید آهن در دماهای زیر ۱۰° K (-263° C) ابررسانا میشود.
پژوهشگران همان فرایند را برای رشد فیلمهای نازک تلورید آهن بر روی استرنتیوم تیتانات (strontium titanate) به کار گرفتند که سازگاری شبکهای کلاسیک بسیار بالایی دارد و تنها ۱٫۸٪ مغرضی است. این فیلم نازک بهطور کامل ابررسانا نبود، که ایدهٔ اینکه اپیتاکسی مرتبه بالاتر کلید اصلی است را تقویت میکند.
«یافتههای ما نشان میدهد که ایجاد عمدی تطابق اپیتاکسی مرتبه بالاتر میتواند آیندهٔ پژوهشهای فیلم نازک باشد»، میگوید ساتو.
«اگرچه ما از بستر استفاده کردیم که بهنظر نمیرسید سازگاری شبکهای خوبی داشته باشد، کیفیت فیلم بهنحوی بهبود یافت. در پژوهشها گاهی نتایج بهظاهر متناقض ظاهر میشوند. بهجای اینکه چنین تناقضهایی را بهعنوان جزئی نادیده بگیریم، ما بهدقت به دنبال مکانیزم زیرین گشتیم و آن را شناسایی کردیم. این رویکرد پژوهشی خوشبختانه منجر به این کشف شد.»
اطلاعات بیشتر: Yuki Sato et al, Superconductivity and suppressed monoclinic distortion in FeTe films enabled by higher-order epitaxy, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65902-w
اطلاعات نشریه: Nature Communications
ارائه شده توسط RIKEN
منبع:
فیلم نازک جدید تلورید آهن، ابررسانایی برای تراشههای کامپیوترهای کوانتومی (2025، 10 دسامبر) دریافتشده در 24 دسامبر 2025 از https://phys.org/news/2025-12-iron-telluride-thin-superconductivity-quantum.html