De digitale revolutie die we ons allemaal voorstellen – onmiddellijke berekeningen, zeer geavanceerde medische simulaties, steeds nauwkeurigere klimaatmodellen – verloopt via een technologie die even veelbelovend als delicaat is: de kwantumcomputer. Een machine die, althans op papier, in staat is problemen op te lossen waarvoor tegenwoordig astronomische tijden nodig zouden zijn. Toch is er één detail dat alles tegenhoudt: de extreme kwetsbaarheid van kwantumsystemen.
Het enige dat nodig is, is een minimale temperatuurvariatie, een onmerkbare trilling, een microscopische magnetische verstoring en de kwantumtoestanden raken verkeerd uitgelijnd, waardoor fouten ontstaan die zich binnen enkele ogenblikken voortplanten. Het is alsof je een kaartenhuis bouwt midden in een onzichtbare tocht.
In dit onstabiele scenario heeft een groep onderzoekers iets waargenomen dat de spelregels zou kunnen veranderen. De protagonist van de ontdekking is een legering bestaande uit niobium en renium, twee zeldzame overgangsmetalen, die bij laboratoriumtests onverwacht en in sommige opzichten revolutionair gedrag vertoonden.
Een experiment dat de ‘klassieke’ natuurkunde omverwerpt
Om te begrijpen waarom deze legering – bekend als NbRe – zoveel aandacht trekt, moet je een stap binnen het laboratorium zetten. De onderzoekers bouwden een drielaagse structuur: in het midden een heel dunne film NbRe, aan de zijkanten twee magnetische lagen die zich in dezelfde richting of in tegengestelde richtingen kunnen oriënteren. In een traditionele supergeleider veroorzaakt het veranderen van de oriëntatie van de magneten een verandering in de elektrische weerstand die voorspelbaar is en consistent is met de gevestigde theorie. Hier gebeurde echter het tegenovergestelde.
Het elektrische signaal vertoonde een inversie vergeleken met wat zou worden verwacht van een ‘klassieke’ supergeleider. De anomalie werd gedocumenteerd door professor Jacob Linder van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie, die het resultaat interpreteerde als een mogelijke indicatie van een zeldzaam fenomeen: elektronische koppeling met uitgelijnde spin.
Simpel gezegd lijken elektronen in het materiaal in paren te bewegen terwijl ze dezelfde magnetische richting behouden, in plaats van deze te annuleren zoals gebeurt bij conventionele supergeleiders. En dit is waar een fascinerend scenario zich opent.
Waarom spin de toekomst van quantum computing kan veranderen
In traditionele supergeleiders paren elektronen op een manier die elkaars kleine magnetische eigenschap, genaamd spin, tenietdoet. Het resultaat is een stroom zonder weerstand, maar ook zonder magnetische informatie.
Sommige zeer zeldzame materialen, gedefinieerd als triplet-supergeleiders, lijken ervoor te zorgen dat elektronenparen dezelfde magnetische oriëntatie kunnen behouden. Dit betekent dat we tegelijkertijd elektrische stroom en magnetische informatie kunnen transporteren zonder energie te verspillen.
Voor kwantumtechnologie, die leeft en sterft op basis van de stabiliteit van kwantumtoestanden, vertegenwoordigt dergelijk gedrag bijna een ‘heilige graal’. Het verminderen van energiedissipatie betekent het verminderen van thermische ruis, en het verminderen van ruis betekent het vergroten van de precisie van qubits, de fundamentele eenheden van quantum computing.
Professor Linder dringt echter aan op voorzichtigheid: het is te vroeg om officieel te verklaren dat NbRe een triplet-supergeleider is. Onafhankelijke replicaties van het experiment en diepgaande controles zijn nodig om verborgen magnetische effecten of experimentele artefacten uit te sluiten.
Een atomaire structuur die het verschil maakt
Een belangrijk element van deze legering betreft de interne structuur. NbRe is een niet-centrosymmetrisch materiaal, wat betekent dat de atomen niet volgens perfecte spiegelsymmetrie zijn gerangschikt. Deze kleine asymmetrie verandert de manier waarop elektronen paren en maakt een combinatie mogelijk van twee koppelingsmodi die normaal gesproken gescheiden blijven. Het gevolg is een elektronische flexibiliteit die het abnormale stroomgedrag dat in de tests werd waargenomen, zou kunnen verklaren.
Een bijzonder interessant detail betreft de oorsprong van het effect: de onderzoekers denken dat het voortkomt uit de intrinsieke structuur van het materiaal, en niet uit extreem nauwkeurig ontworpen interfaces of geavanceerde oppervlaktebehandelingen. Als deze hypothese zou worden bevestigd, zou de industriële integratie veel realistischer worden.
Extreem koud, maar minder onbetaalbaar
Zoals elke supergeleider werkt NbRe ook bij zeer lage temperaturen. Rond de 7 Kelvin wordt het supergeleidend, dat wil zeggen rond de -266 graden Celsius. Het is zeker een cryogene temperatuur, maar aanzienlijk beter beheersbaar dan andere materialen die temperaturen in de buurt van 1 Kelvin vereisen.
Het verminderen van de intensiteit van de noodzakelijke koeling betekent dat een deel van de energiekosten van kwantuminfrastructuren kan worden gedekt, wat vandaag de dag een van de belangrijkste obstakels vormt voor grootschalige implementatie.
De uitdaging van kwantumfouten blijft echter bestaan. In kwantumsystemen vermenigvuldigen kleine fouten zich snel. Tegenwoordig worden complexe real-time correctiesystemen gebruikt, maar elke verbetering van de stabiliteit van het basismateriaal kan het verschil maken tussen een fragiel prototype en een echt operationele machine.
Van fundamenteel onderzoek tot spintronica
De NbRe-legering kan worden vervaardigd in de vorm van zeer dunne films, compatibel met de depositieprocessen die in de halfgeleiderindustrie worden gebruikt. Dit aspect opent concrete perspectieven: minder complexiteit in interfaces betekent ook minder kans op verborgen fouten. De interesse beperkt zich echter niet tot quantum computing. Er is een ander gebied dat deze resultaten zorgvuldig observeert: spintronica, dat wil zeggen elektronica die de spin van elektronen gebruikt om informatie over te dragen, naast hun lading.
Als spin zonder weerstand door een supergeleider zou kunnen reizen, zouden magnetische geheugens en supergeleidende circuits rechtstreeks kunnen communiceren met een drastische vermindering van energieverliezen. In een wereld die vanuit energieoogpunt steeds efficiëntere en duurzamere oplossingen zoekt, is dit detail geenszins secundair. De studie werd gepubliceerd in Physical Review Letters, een van de meest gezaghebbende tijdschriften op het gebied van de natuurkunde.
De toekomst van NbRe zal nu afhangen van de repliceerbaarheid van experimenten en het vermogen om het materiaal in echte apparaten te integreren. Het zou een concreet platform kunnen worden voor kwantumcontrole met weinig verlies, of een elegante belofte blijven die beperkt blijft tot laboratoria. Intussen heeft de natuurkunde de hoop nieuw leven ingeblazen. En als het om kwantumtechnologie gaat, telt elk sprankje.
Mogelijk bent u ook geïnteresseerd in:
