Spintronika és qubit készítés – a BME az alapkutatások élvonalában

A BME Természettudományi Karának alacsony hőmérsékleti szilárdtestfizikai laboratóriuma a Kvantuminformatikai Nemzeti Laboratórium partnereként nemcsak jelentős kutatási eredményekkel büszkélkedhet, hanem aktívan részt vesz a Műegyetem pályaorientációs tevékenységeiben is. A laboratóriumot Csonka Szabolcs egyetemi docens, a Fizika Tanszék vezetője, és Makk Péter egyetemi docens, tanszékvezető-helyettes irányítja. 

„Az alacsony hőmérsékleti szilárdtestfizikai laboratóriumot Mihály György professzor alapította a 90-es évek elején, ez volt Magyarország egyik első ilyen laboratóriuma. A munkatársak az ő egykori PhD hallgatói közül kerültek ki, majd az ő doktoranduszaiknak a doktoranduszaival bővült a csapat. Nekem például Halbritter András, aki ma a BME Fizikai Intézet igazgatóhelyettese, volt a témavezetőm. Az évek során több önálló laborral bővültünk, ahol most vagyunk, az az ultra alacsony hőmérsékletű laboratórium. Itt extrém alacsony hőmérsékleten vizsgáljuk az anyagok elektromos transzport tulajdonságait. A labor első bővülési lehetőségét Csonka Szabolcs ERC pályázata jelentette”- mondja el bevezetőként Makk Péter.  

Milyen kutatásokat folytatnak most? 

Szilárdtestfizikai, másnéven anyagtudományi kutatásokat folytatunk. A laborban folyékony hélium segítségével néhány milli Kelvintől, azaz kb. mínusz 273 C fok körüli hőmérséklettől egészen a szobahőmérsékletig tudjuk vizsgálni az elektromos áramkörök viselkedését. 

A kutatásaink során alacsony dimenziós rendszereket vizsgálunk, mint például kétdimenziós kristályokat, azaz egyetlen atomréteg vastagságú anyagokat, vagy közel egy dimenziós nanovezetékeket. A kétdimenziós anyagok közül talán a leghíresebb a grafén, amit a grafit egyetlen atomi rétege alkot. Mi ebből készítünk áramköröket, majd lehűtjük őket. A másik területünk a kvantum dotok tanulmányozása, amik egyszerűen fogalmazva mesterséges atomok, amelyek félvezető tulajdonságokkal rendelkeznek és alapvetően 10 és 100 nm közötti méretűek. A kutatásainknak a távlati célja, hogy ezekből létrehozzuk a kvantumszámítógépek újfajta építőköveit, két állapotú kvantum rendszereket, másnéven qubiteket. A félvezető kristályokból létrehozott mesterséges atomokba akár egyetlen elektront is bezárhatunk, majd ezt szupravezető elektródákhoz kapcsolva hozzuk létre a két állapotú kvantumrendszert, a qubitet. Sok ilyen qubit együttese alkothat később egy kvantum számítógépet. Vannak spintronikai kutatásink, ahol például azt vizsgáljuk, hogy mágneses anyagok segítségével más anyagokban hogyan lehet spináramot generálni. Az elektromos jelenségekben az elektron töltése mellett a spinje is fontos szerepet játszik: az elektronnak nemcsak töltése van, hanem "forog" is. A spintronika alapgondolata az elektronok spinje révén megvalósított információ-tárolás, továbbítás és feldolgozás. Ez a kutatás a mágneses adattárolás irányába vezet, ahol a mágnesezettségbe írják bele a 0-t vagy az 1-et, és mi ezt az újfajta koncepcióit vizsgáljuk kétdimenziós anyagokon.

Az alapkutatásoknak viszonylag ritka a közvetlen ipari hasznosítása, így van ez önöknél is? 

Bár ezek mind alapkutatások, de erős ipari relevanciájuk van. A kétállapotú kvantum rendszereket, amiket mi is vizsgálunk, az IBM, Google is kutatja. Továbbá dolgozunk, olyan szupravezető áramkörökkel, amikből mi már szabadalmat is készítettünk. Vannak kapcsolataink a kvantumtechnológiában dolgozó spinoff cégekkel is. Az iparban is folynak a mágneses memória fejlesztések, és hamarosan megjelennek majd a miénkhez hasonló alapon működő memóriák.

Miért fontos az abszolút nulla körüli hőmérséklet?

Az alacsony hőmérsékletnek több szempontból is van jelentősége. Az alapkutatás szempontjából azért fontos, mert csak alacsony hőmérsékleten valósítható meg az, hogy egy kvantumrendszer alig legyen kölcsönhatásban a környezetével. Az abszolút nulla fok azt jelenti, hogy ezen a hőmérsékleten nem rezegnek a kristályokban az atomok, illetve kifagynak olyan folyamatok, amik véges hőmérsékleten zavarnák ezeknek a rendszereknek a vizsgálatát. Bizonyos izgalmas fizikai jelenségek csak alacsony hőmérsékleten jelennek meg, ilyen például a szupravezetés. A kutatók próbálják a szupravezetést egyre magasabb hőmérsékleten létrehozni, de most még ott tartunk hogy egy MRI készülék is alacsony hőmérsékletre hűtött mágnessel vizsgálja az embert. A kvantum-számítástechnikában szerintem úgy kell gondolni a kvantumszámítógépekre, hogy ezeket hűteni fogják, ilyen laboratóriumokban, mint ahol most vagyunk, vagy a cégeknek lesznek nagy hűtőközpontjai, a gépeket pedig majd távoli eléréssel fogjuk használni.

Ön szerint mi a szerepük a laboratóriumoknak az egyetemi oktatásban?

A mi laboratóriumainknak kiemelt szerepük van a fizikus és a fizikus-mérnök képzésben. Vannak laborgyakorlatok, ahol különböző jelenségeket vizsgálnak a hallgatók, például a szupravezetés jelenségét. Már a BSc-től kezdve dolgozhatnak kutatási témákon, legyen az TDK dolgozat vagy szakdolgozat. Kutatásaink nagy része EU-s networkökön vagy konzorciumi pályázatok keretében zajlik. Jelenleg is több pályázatban veszünk részt aktívan, a qubitek létrehozásával kapcsolatban, és spintronikai témában is.

Ezekbe a kutatásokba már BSc-sek is bekapcsolódhatnak, hiszen nagyon sokrétűek, így megtalálják azt a területet, amihez hasznosan kapcsolódni tudnak. Nyilván minél magasabb évfolyamba járnak annál több szeletét látják át a kutatásnak. Meghirdetünk TDK, illetve diplomatémákat, de azoktól a jó ötletektől sem zárkózunk el, amikkel a hallgatók keresnek meg minket.

Sok szó esett a kvantumszámítógépekről, önök gyakran használnak számítógépes szimulációkat?

Ez egy kísérleti laboratórium, természetesen végzünk számolásokat és szimulációkat is, ezekkel validálni vagy megcáfolni igyekszünk a kísérleti eredményeinkkel. Sokszor a mérések értelmezéséhez végzünk szimulációkat. Nálunk az az izgalmas, hogy mi magunk hozzuk létre olyan apró, új áramköröket, amiket utána kísérletekkel tanulmányozhatunk, így izgalmas jelenségeket tudunk megérteni.