La combinación de materiales podría permitir una superconductividad única para la computación cuántica

La combinación de materiales podría permitir una superconductividad única para la computación cuántica

Tanto como una computadora

Crédito: Pixabay/CC0 Dominio público

Una nueva fusión de materiales, cada uno con propiedades eléctricas únicas, son todos los ingredientes necesarios para un tipo único de superconductividad que podría proporcionar la base para una computación cuántica más sólida. La nueva combinación de materiales, desarrollada por un equipo dirigido por investigadores de Penn State, también podría proporcionar una plataforma para explorar el comportamiento físico, como las misteriosas partículas ópticas conocidas como partículas quirales, otro enfoque de la computación cuántica. Podría ser un ingrediente prometedor.

El nuevo estudio aparece en la revista. ciencia. El trabajo describe cómo los investigadores combinaron los dos materiales magnéticos en lo que llaman un paso crítico hacia la realización de lo que están trabajando actualmente.

Los superconductores (materiales sin resistencia eléctrica) se utilizan ampliamente en circuitos digitales, imanes potentes en imágenes por resonancia magnética (MRI) y aceleradores de partículas, y otras tecnologías en las que aumentar el flujo de electricidad es fundamental.

Cuando los superconductores se combinan con materiales llamados aislantes topológicos magnéticos (películas delgadas de solo unos pocos átomos de espesor que se magnetizan y restringen el movimiento de los electrones hacia sus bordes), los nuevos electrones de cada componente trabajan juntos para producir «superconductores topológicos quirales».

La topología, o las geometrías y coordenadas particulares de los materiales, crea propiedades eléctricas únicas en los superconductores, lo que podría facilitar la construcción de computadoras cuánticas topológicas.

Las computadoras cuánticas tienen la capacidad de realizar cálculos complejos en una fracción del tiempo que las computadoras convencionales porque, a diferencia de las computadoras convencionales que almacenan datos como unos o ceros, los bits cuánticos de las computadoras cuánticas almacenan simultáneamente datos en todos los estados posibles.

Las computadoras cuánticas topológicas mejoran aún más la computación cuántica al aprovechar cómo se regulan las propiedades eléctricas para hacer que las computadoras sean robustas contra la decoherencia, o la pérdida de información que ocurre cuando un sistema cuántico no está completamente aislado.

«La creación de superconductores topológicos quirales es un paso importante hacia la computación cuántica topológica que puede ampliarse para un uso generalizado», dijo Cui-Zu Chang, profesor de carrera temprana Henry W. Knerr y profesor asociado de Física en Penn State y autor correspondiente. hoja

«La superconductividad topológica quiral requiere tres componentes: superconductividad, ferromagnetismo y una propiedad llamada orden topológico. En este estudio, creamos un sistema con estas tres propiedades».

Los investigadores utilizaron una técnica llamada epitaxia de haz molecular para combinar un aislante topológico que se ha magnetizado y un calcogenuro de hierro (FeTe), un metal de transición prometedor para aprovechar la superconductividad. Un aislante topológico es un ferroimán (un tipo de imán cuyos electrones giran de la misma manera), mientras que el FeTe es un antiferroimán, cuyos electrones giran en direcciones alternas.

Los investigadores utilizaron una variedad de técnicas de imagen y otros métodos para caracterizar la estructura y las propiedades eléctricas del material compuesto y confirmar la presencia de los tres componentes críticos de la superconductividad topológica quiral en la interfaz entre los materiales.

El trabajo anterior en este campo se ha centrado en combinar superconductores y aislantes topológicos no magnéticos. Según los investigadores, la adición a los ferromagnetos es particularmente difícil.

«Por lo general, la superconductividad y el ferromagnetismo compiten entre sí, por lo que es raro encontrar una superconductividad fuerte en un sistema de material ferromagnético», dijo Chao-Zing Liu, profesor de física en Penn State y autor correspondiente del artículo.

«Pero la superconductividad en este sistema es realmente muy fuerte contra el ferromagnetismo. Se necesitaría un campo magnético fuerte para eliminar el supermagnetismo».

El equipo de investigación todavía está explorando por qué coexisten en este sistema la superconductividad y el ferromagnetismo.

«En realidad, es bastante interesante porque tenemos dos materiales magnéticos que no son superconductores, pero los juntamos y la interfaz entre los dos compuestos produce una superconductividad muy fuerte», dijo Chang.

«El calcogenuro de hierro es antiferromagnético y esperamos que sus propiedades antiferromagnéticas se debiliten alrededor de la interfaz para dar lugar a la superconductividad, pero necesitamos más experimentos y trabajo teórico para confirmar esto, para ver si esto es cierto y aclarar el mecanismo superconductor».

Los investigadores dicen que creen que el sistema será útil en la búsqueda de sistemas materiales que muestren un comportamiento similar al de las partículas de Majorana, las subpartículas teóricas planteadas por primera vez como hipótesis en 1937. Las partículas de Majorana actúan como su propia antipartícula, una propiedad única que potencialmente les permite hacerlo. Utilizados como bits cuánticos en computadoras cuánticas.

Proporcionar evidencia experimental de la existencia de Majorana quiral sería un paso importante en la creación de una computadora cuántica topológica, dijo Chang. «Nuestro campo tiene una larga historia de intentar encontrar estas partículas en las rocas, pero creemos que ésta es una plataforma excelente para explorar la física de Majorana».

Más información:
Hemian Yi et al, Superconductividad inducida por interfaz en aisladores topológicos magnéticos, ciencia (2024). DOI: 10.1126/ciencia.adk1270. www.science.org/doi/10.1126/science.adk1270

Proporcionado por la Universidad Estatal de Pensilvania

referencia: Computación cuántica mediante combinación de materiales (2024, 8 de febrero) Obtenido el 8 de febrero de 2024 en https://phys.org/news/2024-02-combining-materials-unique-superconductivity-quantum.html

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