Un equipo de físicos teóricos y experimentales ha diseñado un nuevo material ultradelgado que han utilizado para crear estados cuánticos elusivos. Llamados modos de energía cero Majorana unidimensionales, estos estados cuánticos podrían tener un gran impacto en la computación cuántica.

En el núcleo de una computadora cuántica hay un qubit, que se utiliza para realizar cálculos de alta velocidad. Los qubits que Google, por ejemplo, en su procesador Sycamore presentado el año pasado, y otros que están usando actualmente son muy sensibles al ruido y la interferencia del entorno de la computadora, que introduce errores en los cálculos. Un nuevo tipo de qubit, llamado qubit topológico, podría resolver este problema, y los modos de energía cero 1D Majorana pueden ser la clave para hacerlos. "Una computadora cuántica topológica se basa en qubits topológicos, que se supone que son mucho más tolerantes al ruido que otros qubits. Sin embargo, Los qubits topológicos aún no se han producido en el laboratorio, "explica el profesor Peter Liljeroth, el investigador principal del proyecto.

¿Qué son los MZM?

Los MZM son grupos de electrones unidos de una manera específica, por lo que se comportan como una partícula llamada fermión de Majorana. una partícula semimítica propuesta por primera vez por el físico semimítico Ettore Majorana en la década de 1930. Si las partículas teóricas de Majorana pudieran unirse, funcionarían como un qubit topológico. Una trampa:nunca se ha visto evidencia de su existencia, ya sea en el laboratorio o en astronomía. En lugar de intentar hacer una partícula que nadie ha visto en ningún lugar del universo, en cambio, los investigadores intentan hacer que los electrones regulares se comporten como ellos.

Para hacer MZM, los investigadores necesitan materiales increíblemente pequeños, un área en la que se especializa el grupo del profesor Liljeroth en la Universidad de Aalto. Los MZM se forman dando a un grupo de electrones una cantidad de energía muy específica, y luego atraparlos juntos para que no puedan escapar. Lograr esto, los materiales deben ser bidimensionales, y lo más delgado físicamente posible. Para crear MZM 1D, el equipo necesitaba hacer un tipo completamente nuevo de material 2-D:un superconductor topológico.

La superconductividad topológica es la propiedad que se produce en el límite de un aislante eléctrico magnético y un superconductor. Para crear MZM 1D, El equipo del profesor Liljeroth necesitaba poder atrapar electrones juntos en un superconductor topológico, sin embargo, no es tan simple como pegar un imán a cualquier superconductor.

"Si coloca la mayoría de los imanes encima de un superconductor, dejas de ser un superconductor, "explica el Dr. Shawulienu Kezilebieke, el primer autor del estudio. "Las interacciones entre los materiales alteran sus propiedades, pero para hacer MZMs, necesitas los materiales para interactuar un poco. El truco consiste en utilizar materiales 2-D:interactúan entre sí lo suficiente para crear las propiedades que necesita para los MZM, pero no tanto que se interrumpan entre sí ".

La propiedad en cuestión es el giro. En un material magnético, el giro está alineado todo en la misma dirección, mientras que en un superconductor el espín está anti-alineado con direcciones alternas. Unir un imán y un superconductor normalmente destruye la alineación y antialineación de los espines. Sin embargo, en materiales con capas 2-D, las interacciones entre los materiales son suficientes para "inclinar" los giros de los átomos lo suficiente como para crear el estado de giro específico, llamado acoplamiento Rashba spin-órbita, necesario para hacer los MZM.

Encontrar los MZM

El superconductor topológico en este estudio está hecho de una capa de bromuro de cromo, un material que sigue siendo magnético cuando solo tiene un átomo de espesor. El equipo del profesor Liljeroth hizo crecer islas de bromuro de cromo de un átomo de espesor sobre un cristal superconductor de diselenuro de niobio, y midieron sus propiedades eléctricas utilizando un microscopio de efecto túnel. En este punto, recurrieron a la experiencia en modelado por computadora del profesor Adam Foster en la Universidad de Aalto y el profesor Teemu Ojanen, ahora en la Universidad de Tampere, para entender lo que habían hecho.

"Se necesitaba mucho trabajo de simulación para demostrar que la señal que estamos viendo fue causada por MZM, y no otros efectos, ", dice el profesor Foster." Necesitábamos demostrar que todas las piezas encajaban para demostrar que habíamos producido MZM ".

Ahora el equipo está seguro de que pueden fabricar MZM 1D en materiales bidimensionales, el siguiente paso será intentar convertirlos en qubits topológicos. Este paso ha eludido hasta ahora a los equipos que ya han creado MZM de 0 dimensiones, y el equipo de Aalto no está dispuesto a especular sobre si el proceso será más fácil con MZM unidimensionales, sin embargo, son optimistas sobre el futuro de los MZM 1D.

"Lo bueno de este artículo es que hemos fabricado MZM en materiales 2-D, "dijo el profesor Liljeroth" En principio, estos son más fáciles de hacer y más fáciles de personalizar las propiedades de, y, en última instancia, convertirlo en un dispositivo utilizable ".

El papel, Superconductividad topológica en una heteroestructura de van der Waals, fue publicado el 17 de diciembre en Naturaleza .