Los científicos caracterizaron cómo los estados electrónicos en un compuesto que contiene hierro, telurio, y el selenio dependen de las concentraciones químicas locales. Descubrieron que la superconductividad (conducción de electricidad sin resistencia), junto con distintas correlaciones magnéticas, aparece cuando la concentración local de hierro es suficientemente baja; un estado electrónico coexistente que existe solo en la superficie (estado de superficie topológico) surge cuando la concentración de telurio es suficientemente alta. Reportado en Materiales de la naturaleza , sus hallazgos apuntan al rango de composición necesario para la superconductividad topológica. La superconductividad topológica podría permitir una computación cuántica más robusta, que promete ofrecer aumentos exponenciales en la potencia de procesamiento.

"La computación cuántica está todavía en su infancia, y uno de los desafíos clave es reducir la tasa de error de los cálculos, "dijo el primer autor Yangmu Li, un postdoctorado en el Grupo de Dispersión de Neutrones de la División de Física de la Materia Condensada y Ciencia de los Materiales (CMPMS) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). "Los errores surgen como qubits, o bits de información cuántica, interactuar con su entorno. Sin embargo, a diferencia de los iones atrapados o los qubits de estado sólido, como los defectos puntuales en el diamante, Los qubits superconductores topológicos están intrínsecamente protegidos de parte del ruido. Por lo tanto, podrían admitir cálculos menos propensos a errores. La pregunta es, ¿Dónde podemos encontrar la superconductividad topológica?

En este estudio, los científicos limitaron la búsqueda en un compuesto conocido por albergar estados de superficie topológicos y parte de la familia de superconductores a base de hierro. En este compuesto, Los estados topológicos y superconductores no se distribuyen uniformemente por la superficie. Comprender qué hay detrás de estas variaciones en los estados electrónicos y cómo controlarlas es clave para habilitar aplicaciones prácticas como la computación cuántica protegida topológicamente.

De investigaciones previas, el equipo sabía que modificar la cantidad de hierro podría cambiar el material de un estado superconductor a no superconductor. Para este estudio, El físico Gendu Gu de la División CMPMS cultivó dos tipos de grandes monocristales, uno con un poco más de hierro en relación con el otro. La muestra con mayor contenido de hierro no es superconductora; la otra muestra es superconductora.

Para comprender si la disposición de los electrones en la mayor parte del material variaba entre las muestras superconductoras y no superconductoras, el equipo recurrió a la dispersión de neutrones con polarización de espín. La fuente de neutrones de espalación (SNS), ubicado en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE, es el hogar de un instrumento único para realizar esta técnica.

"La dispersión de neutrones puede indicarnos los momentos magnéticos, o gira, de electrones y la estructura atómica de un material, "explicó el autor correspondiente, Igor Zaliznyak, un físico del Grupo de Dispersión de Neutrones de la División CMPMS que dirigió el equipo de Brookhaven que ayudó a diseñar e instalar el instrumento con colaboradores en Oak Ridge. "Para distinguir las propiedades magnéticas de los electrones, polarizamos los neutrones usando un espejo que refleja solo una dirección de giro específica ".

Para su sorpresa, los científicos observaron patrones drásticamente diferentes de momentos magnéticos de electrones en las dos muestras. Por lo tanto, la leve alteración en la cantidad de hierro provocó un cambio en el estado electrónico.

"Después de ver este cambio dramático, pensamos que deberíamos considerar la distribución de los estados electrónicos como una función de la composición química local, "dijo Zaliznyak.

En el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven, Li, con el apoyo de los miembros del personal de CFN Fernando Camino y Gwen Wright, determinó la composición química en piezas representativas más pequeñas de ambos tipos de muestras mediante espectroscopía de rayos X de dispersión de energía. En esta técnica, una muestra es bombardeada con electrones, y se detectan los rayos X emitidos característicos de diferentes elementos. También midieron la resistencia eléctrica local, que indica la coherencia con la que los electrones pueden transportar la carga, con sondas eléctricas a microescala. Por cada cristal, Li definió una pequeña cuadrícula cuadrada (100 por 100 micrones). En total, el equipo mapeó la composición local y la resistencia en más de 2, 000 ubicaciones diferentes.

"A través de los experimentos en el CFN, caracterizamos la química y las propiedades generales de conducción de los electrones, ", dijo Zaliznyak." Pero también necesitamos caracterizar las propiedades electrónicas microscópicas, o cómo se propagan los electrones en el material, ya sea a granel o en la superficie. La superconductividad inducida en los electrones que se propagan en la superficie puede albergar objetos topológicos llamados modos Majorana, que son en teoría una de las mejores formas de realizar cálculos cuánticos. La información sobre las propiedades electrónicas de superficie y de volumen se puede obtener mediante espectroscopía de fotoemisión ".

Para los experimentos de espectroscopia de fotoemisión, Zaliznyak y Li se acercaron a Peter Johnson, líder del Grupo de Espectroscopía Electrónica de la División CMPMS, y Nader Zaki, un científico asociado en el grupo de Johnson. Al medir la energía y el momento de los electrones expulsados ​​de las muestras (utilizando la misma cuadrícula espacial) en respuesta a la luz, cuantificaron la fuerza de los estados electrónicos que se propagan en la superficie, en la mayor parte, y formando el estado superconductor. Ajustan cuantitativamente los espectros de fotoemisión a un modelo que caracteriza las fortalezas de estos estados.

Luego, el equipo trazó un mapa de las fortalezas del estado electrónico en función de la composición local, esencialmente construyendo un diagrama de fases.

"Este diagrama de fase incluye las transiciones de fase superconductora y topológica y apunta hacia donde podríamos encontrar una composición química útil para materiales de computación cuántica, "dijo Li." Para ciertas composiciones, no existen estados electrónicos coherentes para desarrollar la superconductividad topológica. En estudios anteriores, la gente pensaba que la falla del instrumento o el error de medición eran la razón por la que no veían características de superconductividad topológica. Aquí mostramos que se debe a los propios estados electrónicos ".

"Cuando el material está cerca de la transición entre el estado topológico y no topológico, puedes esperar fluctuaciones, "agregó Zaliznyak." Para que surja la topología, los estados electrónicos deben estar bien desarrollados y ser coherentes. Entonces, desde una perspectiva tecnológica, necesitamos sintetizar materiales alejados de la línea de transición ".

Próximo, los científicos ampliarán el diagrama de fases para explorar el rango de composición en la dirección topológica, centrándose en muestras con menos selenio y más telurio. También están considerando aplicar la dispersión de neutrones para comprender una brecha de energía inesperada (un rango de energía donde no se permiten electrones) que se abre en el estado de la superficie topológica del mismo compuesto. El grupo de Johnson descubrió recientemente esta brecha y planteó la hipótesis de que era causada por el magnetismo de la superficie.