A hajszálnál is vékonyabb az a műegyetemi fizikus és kollégái által kifejlesztett műszer, amely a mágneses tér legapróbb változásait is észleli.

„Számos elképzelést, forgatókönyvet kipróbáltak már a kvantuminformáció alapegységének (qubit) létrehozására, ám ezek megbízhatóságára nem lehet alapozni a jövő kvantumszámítógépeit. Most azon dolgozunk, hogy megalkossuk a kvantumszámítógépek információvesztésnek ellenálló robosztus quibitét. Ezen folyamat során sikerült a közelmúltban az eddig ismert legkisebb méretűre zsugorítani egy mágneses mező legapróbb változásait is észlelő szerkezetet” – foglalta össze a nemzetközi kutatókkal végzett tudományos feladatairól Makk Péter, a BME Természettudományi Kar (TTK) Fizikai Intézet Fizika Tanszékének docense. A szakember elmondta: a Bázeli Egyetemmel folytatott munkában egykori posztdoktori ösztöndíjas professzora felkérésére vett részt: megtervezték és kidolgozták a mindössze 10 nanométer vastagságú magnetométer az ún. szupravezető kvantum-interferencia eszköz (angolul Superconducting Quantum Interference Device, SQUID) szerkezetét, amelyet ez alapján végül a svájci felsőoktatási intézményben egykori PhD-hallgatója, David Indolese épített meg. A méréseket nagyon alacsony hőmérsékleten, cseppfolyós héliummal végezték, az abszolút nulla hőmérséklet felett 20 miliKelvinnel. Ezután Makk Péter részt vett a berendezés által összegyűjtött adatok kiértékelésében, emellett aktív részese volt a nemzetközi projekt átfogó szakmai koordinálásának is. Eddigi következtetéseiket a nemzetközi kutatócsoport közösen tárta az akadémiai közönség elé a Nano Letters  című tudományos folyóiratban.

„Az akadémiai társadalom aktívan kutatja a kvantum információ tárolására alkalmas, topológikus qubit ’receptjét’, amelybe minimális vagy zéró veszteséggel lehet információt kódolni. A legtöbb eddig létező megoldásban a bevitt adat idővel például a külső zavarok vagy környezeti kölcsönhatások miatt eltűnt vagy torzult, a rendszer tehát nem működött megfelelően. Kutatótársaimmal különféle struktúrákat és fizikai jelenségeket, például speciális szupravezető állapotokat veszünk górcső alá, meghatározott körülmények között gátolva az információvesztést. Az ehhez szükséges védelmet a qubit tervezésébe, belső szimmetriájába kódoljuk bele. Ilyen qubit megvalósítása lehet a fentebb említett interferencia szerkezet” – ecsetelte tudományos munkájának irányáról a TTK szakembere. A kvantum-interferencia szerkezet egy szupravezető gyűrűn alapul, amelyet két normál fém vagy szigetelő régió szakít meg.  A mostani kutatásban elkészült szupravezető gyűrűbe két grafénon alapuló ún. Josephson-átmenet játssza ezt a szerepet (Josepshon-átmenet: két szuprevezető között létrehozott vékony, nem szupravezető réteg, amiben az egyik szupravezetőből elektron-párok tudnak áthaladni a másikba elektromos ellenállás megjelenése nélkül – szerk.). A két grafént egymás fölé helyezték el egymástól hexagonális bór-nitrid réteggel elszigetelten, és a szupravezető gyűrűvel összekapcsolva. Az így létrejött körülbelül 6 rétegű, 10 nanométer vastag szerkezet ideális a mágneses tér változásaink mérésére, nyomonkövetésére. „Az ilyen előre megtervezett és 2D-s anyagokból rétegenként felépített összeállításokat van der Waals heterostruktúráknak nevezik. A mágneses tér észleléséhez a szerkezeten átfolyó szuper-áramot mérjük, ami nagymértékben függ a mágneses tértől” – árult el technológiai részleteket Makk Péter.

A vizsgálat közben felvetődött a miniatűr szupravezető kvantuminterferencia-eszköz egészségügyi és geológiai gyakorlati hasznosításának lehetősége is: a nagyon gyenge mágneses mezők érzékelésének köszönhetően a szerkezetet a szív és az agy aktivitásának megfigyelésére alkalmazhatják, ám bevethetik a földtudományok terén kőzetek összetételének és mágneses anyagtartalmának megállapítására egyaránt. Mivel több, elsősorban az orvosi diagnosztikában alkalmazott eszköz létezik a piacon, amelyek már tartalmaznak valamilyen mágneses teret érzékelő szenzort, így elképzelhető, hogy az ipari partnerek érdeklődésének függvényében a mostani felfedezés fejlesztése ebbe az irányba halad majd. A TTK fizikusa a gyakorlati felhasználás módjai mellett hangsúlyozta, hogy az elemzéseknek még nincs vége, hiszen a szerkezet alkalmas lehet a topológikus szupravezetés megfigyelésére, így tovább keresik a „tökéletes” qubit létrehozásának fizikai megoldásait és feltételeit. A projekt már több mint két éve tart, és a hátralévő másfél év kutatási irányait is e fentebb kifejtett célok határozzák meg.

Hagyományos kvantum-interferencia szerkezet. A kék szupravezető gyűrűt két (itt grafén) Josephson-átmenet szakítja megy. A szerkezeten átfolyó áram a sárga nyíllal jelölt mágneses térre érzékeny. b) A kutatás során elkészült intereferencia-szerkezet esetén a két Josephson egymáshoz nagyon közel és egymás felett helyezkedik el. A kékeszöld régió a szigetelő bór-nitridet jelöli. (Forrás: University of Basel)

Az általunk elkészített interferencia-szerkezet látványterve. A két középső szürke réteg a két grafén alapú Josephson-átmenetet mutatja, a kék rétegek bór-nitridet jelölnek. A legalsó szürke réteg a szerkezet hangolásához használt kapuelektróda, míg a piros a szupravezető elektródákat jelöli. A szerkezetet a LEGO-hoz hasonlóan rétegenként állították össze. Forrás: Fülöp Gergő, BME Fizika tanszék

„Különleges és egyben kivételes lehetőséget kaptam arra, hogy részese és aktív formálója legyek egy nemzetközi akadémiai keretek között végzett szakmai feladatoknak. Ez nemcsak egyéni érdem, mert a tanszékem támogatása és az ott működő Nanoelektronika Kutatólaboratóriumban dolgozó kollégák munkája is hozzájárult a sikerhez, amely az egész egyetem számára presztízst jelent” – fogalmazott a már második éve zajló tudományos projekt jelentőségéről Makk Péter, hozzátéve: tudósként fontosnak tartja, hogy az új eredményekhez kapcsolódó ismereteket a hallgatóknak is átadja, és a téma izgalmas, innovatív oldalát megragadva bemutassa a továbbtanulás előtt álló középiskolásoknak a természettudományi pályában rejlő lehetőségeket, érdekességeket.

Legutóbb a BME TTK Science Campus keretében tartott előadást „Hogyan építsünk kvantumbiteket?” címmel, akkor áttekintette a klasszikus számítógépek fejlődéstörténetét, beszélt a kvantumszámítógépek céljáról és küldetéséről, valamint a szupravezető kvantumbiteken alapuló computerekről. A fiataloknak szóló tudományos, ismeretterjesztő előadás visszanézhető a BME TTK YouTube-csatornáján.

TZS-GI

Fotó: Takács Ildikó