초전류 흐름을 측정하는 새로운 장비, 데이터가 양자 컴퓨팅에 적용됨 • 뉴스 서비스 • 아이오와 주립대학교

게시일: 2022년 12월 2일 오전 12:00

극저온 자기-테라헤르츠 주사 근거리장 광학 현미경을 들고 있는 Jigang Wang. (간단히 cm-SNOM입니다.) 이 장비는 극도의 공간, 시간 및 에너지 규모에서 작동합니다. 그 성능은 양자 컴퓨팅의 핵심이 될 초전도 양자 비트를 최적화하기 위한 한 단계입니다. 더 큰 사진. 사진: Christopher Gannon/아이오와 주립대학교.

아이오와 주 에임스 – Jigang Wang은 연구원들이 양자 컴퓨팅의 내부 작동 방식을 이해하고 궁극적으로 개발하는 데 도움이 될 수 있는 새로운 종류의 현미경을 빠르게 둘러볼 수 있는 기회를 제공했습니다.

아이오와 주립대학교 물리학 및 천문학 교수이자 미국 에너지부 산하 에임스 국립 연구소 소속인 Wang은 이 장비가 10억분의 1미터, 1천조분의 1초, 1조억분의 1의 극한 규모의 공간, 시간 및 에너지에서 어떻게 작동하는지 설명했습니다. 초당 전자기파의 수입니다.

Wang은 제어 시스템, 레이저 소스, 초당 수조 사이클의 빛 펄스를 위한 광학 경로를 만드는 거울의 미로, 샘플 공간을 둘러싸는 초전도 자석, 맞춤형 원자력 현미경, 샘플 온도를 액체 헬륨 온도(화씨 -450도)까지 낮추는 밝은 노란색 저온 유지 장치.

거울의 미로가 광학 경로를 만듭니다.

Wang은 이 장비를 극저온 자기-테라헤르츠 주사 근거리 광학 현미경이라고 부릅니다. (간단히 cm-SNOM입니다.) 이 장치는 아이오와 주립 캠퍼스 북서쪽에 있는 Ames National Laboratory의 Sensitive Instrument Facility에 기반을 두고 있습니다.

이 장비를 제작하는 데 5년, 200만 달러(로스앤젤레스 WM Keck 재단(아래 참조)에서 130만 달러, 아이오와 주립 및 에임스 국립 연구소에서 700,000달러)가 소요되었습니다. 1년이 채 안 되는 기간 동안 데이터를 수집하고 실험에 기여해 왔습니다.

왕은 극한 규모의 나노스코프에 대해 “아무도 그것을 갖고 있지 않다”고 말했다. "세계 최초입니다."

액체 헬륨 온도 이하와 강한 테슬라 자기장에서 작동하면서 약 20나노미터 또는 200억분의 1미터까지 초점을 맞출 수 있습니다. 이는 이러한 극한 환경에서 재료의 초전도 특성을 읽을 수 있을 만큼 충분히 작습니다.

초전도체는 일반적으로 매우 추운 온도에서 저항이나 열 없이 전기(전자)를 전도하는 물질입니다. 초전도 물질은 MRI 스캔과 같은 의료 응용 분야와 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)와 같은 가속기 주위를 빠르게 회전하는 하전된 아원자 입자에 대한 자기 경마장 등 다양한 용도로 사용됩니다.

이제 초전도 물질은 양자 세계의 원자 및 아원자 규모의 역학 및 에너지를 기반으로 하는 차세대 컴퓨팅 성능인 양자 컴퓨팅에 고려되고 있습니다. 초전도 양자 비트 또는 큐비트는 신기술의 핵심입니다. 큐비트에서 초전류 흐름을 제어하는 ​​한 가지 전략은 강한 광파 펄스를 사용하는 것입니다.

Wang은 “초전도 기술은 양자 컴퓨팅의 주요 초점”이라고 말했습니다. "그래서 우리는 초전도성과 그것이 빛으로 어떻게 제어되는지를 이해하고 특성화할 필요가 있습니다."

이것이 바로 cm-SNOM 장비가 하는 일입니다. Nature Physics 저널에 최근 발표된 연구 논문과 arXiv 웹사이트에 게시된 사전 인쇄 논문(사이드바 참조)에 설명된 대로 Wang과 연구진은 테라헤르츠에서 철 기반 초전도체의 초전류 흐름에 대한 최초의 앙상블 평균 측정을 수행하고 있습니다. (초당 수조 개의 파동) 에너지 규모와 고온 구리 기반 구리산염 초전도체에서 테라헤르츠 초전류 터널링을 감지하기 위한 최초의 cm-SNOM 활동입니다.

“이것은 광파 펄스 하에서 초전도성의 반응을 측정하는 새로운 방법입니다.”라고 Wang은 말했습니다. "우리는 테라헤르츠 주기 동안 나노미터 길이 규모에서 이 양자 상태에 대한 새로운 시각을 제공하기 위해 도구를 사용하고 있습니다."

빛 제어 초전도성에 대한 이론적 이해를 발전시킨 이 프로젝트의 협력자이자 버밍엄 소재 앨라배마 대학교 물리학과 교수이자 의장인 일리아스 페라키스(Ilias Perakis)는 "새로운 실험 데이터 세트를 분석함으로써 우리는 다음과 같은 고급 단층 촬영 방법을 개발할 수 있습니다. 빛에 의해 제어되는 초전도체의 양자 얽힌 상태를 관찰합니다."