美国科学家研发量子超导体“控制旋钮”，开启新科技时代

芝加哥普利兹克分子工程学院（UChicago PME）和西弗吉尼亚大学（WVU）研究人员之间的合作努力，使得研究人员找到了一种通过简单调整成分比例来切换材料量子特性的全新方法。

这实际上可以作为在材料中调控奇异量子相的控制旋钮，比如拓扑超导体，新闻稿中提到。

世界上最快的超级计算机在进行药物发现或寻找气候变化解决方案所需的复杂计算时，表现得出乎意料地不够强大。因此，科学家们正在开发量子计算机，能够在几分钟内解决当前超级计算机需要数十年才能解决的问题。

这是通过利用材料的量子态来实现的。然而，为了推动量子计算的发展，科学家们现在需要提高对量子材料的理解，并设计大规模制造它们的方法。UChicago PME和WVU研究人员之间的合作正是为了实现这一目标。

超薄薄膜

铁碲化硒是一种新发现的拓扑超导体，意味着它同时具备超导性和独特的拓扑特性。超导性、强自旋耦合以及明显的电子关联，使它成为探索量子相互作用的理想材料。

截至目前，科学家们已经能够大规模生产这种材料，并在实验中进行使用。虽然它展现出不寻常的量子态，但大块晶体的处理可能比较困难，因为它们的成分在不同位置上会有所变化。

芝加哥大学PWE的研究人员将材料生长到仅10个原子层的超薄层，并控制碲和硒的比例，以观察量子特性是如何变化的。

量子相的调控旋钮

当碲的含量超过70%时，研究人员观察到材料的拓扑性质从平凡转变为非平凡。这一变化使材料获得了受保护的表面态，这对构建量子计算机非常重要。

虽然在块体晶体中也观察到了这一现象，但研究人员在研究纯铁碲化物时却遇到了更意想不到的情况。在更高纯度下，材料的拓扑表面态消失，重新回到了平凡相。

研究人员通过先进的计算方法发现，这一转变是由材料内部电子的运动引起的，并表明量子材料并不是固定不变的，而是高度可调的。

“如果电子关联过强，电子会被固定在原地，”芝加哥大学PME的研究生Haoron Lin解释道。“如果相关性过弱，材料会失去其特殊的拓扑特性。但在恰到好处的情况下，你会得到一个拓扑超导体。”

“这说明电子关联是一个强大且之前被低估的工具，用于设计拓扑量子物质，”西弗吉尼亚大学的物理学助理教授Subhasish Mandal说道，他也参与了这项工作。

与其他拓扑超导体相比，这些超薄薄膜提供了额外的好处。铁碲硒薄膜在13开尔文下工作，而铝基系统则需要1开尔文。这使得它们可以用标准的液氦冷却，更加经济实惠。

此外，超薄结构比大宗材料更容易操作，而且可以直接用于设备制造。

林在新闻稿里补充说：“如果你想将这种材料用于实际应用，你需要能把它生长成薄膜，而不是试图从成分可能不一致的岩石上剥离层。”

研究结果已经在《自然通讯》期刊上刊登。