Físicos de la Universidad de California, Irvine y otros lugares han fabricado nuevos materiales cuánticos bidimensionales con atributos eléctricos y magnéticos revolucionarios que podrían convertirlos en bloques de construcción de futuras computadoras cuánticas y otros componentes electrónicos avanzados.

En tres estudios separados que aparecen este mes en Naturaleza , Avances de la ciencia y Materiales de la naturaleza , Investigadores de la UCI y colegas de UC Berkeley, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Universidad de Princeton, La Universidad de Fudan y la Universidad de Maryland exploraron la física detrás de los estados 2-D de materiales novedosos y determinaron que podrían llevar las computadoras a nuevas alturas de velocidad y potencia.

Los hilos comunes que recorren los artículos son que la investigación se realiza a temperaturas extremadamente frías y que los portadores de señal en los tres estudios no son electrones, como con las tecnologías tradicionales basadas en silicio, sino fermiones de Dirac o Majorana, partículas sin masa que se mueven casi a la velocidad de la luz.

"Finalmente, podemos tomar exóticos, teorías de alto nivel en física y hacer algo útil, "dijo el profesor asociado de física y astronomía de la UCI Jing Xia, un autor correspondiente en dos de los estudios. "Estamos explorando la posibilidad de fabricar computadoras cuánticas topológicas [actualmente teóricas] durante los próximos 100 años".

Uno de los desafíos clave de dicha investigación es el manejo y análisis de muestras de material minúsculas, solo dos átomos de espesor, varios micrones de largo y unos pocos micrones de ancho. El laboratorio de Xia en la UCI está equipado con un microscopio de interferómetro Sagnac de fibra óptica que él mismo construyó. (El único otro que existe está en la Universidad de Stanford, ensamblado por Xia cuando era un estudiante de posgrado allí) .Llamándolo el microscopio magnético más sensible del mundo, Xia lo compara con un telescopio que un ornitólogo de Irvine podría usar para inspeccionar el ojo de un pájaro en Nueva York.

"Esta máquina es la herramienta de medición ideal para estos descubrimientos, "dijo el estudiante graduado de la UCI Alex Stern, autor principal de dos de los artículos. "Es la forma más precisa de medir ópticamente el magnetismo en un material".

En un estudio que se publicará el 24 de abril en Naturaleza , los investigadores detallan su observación, a través del interferómetro de Sagnac, del magnetismo en una escama microscópica de telururo de cromo germanio. El compuesto, que ellos crearon, fue visto a menos 387 grados Fahrenheit. CGT es un primo del grafeno, una película de carbono atómico superfina. Desde su descubrimiento, El grafeno ha sido considerado un reemplazo potencial del silicio en las computadoras y otros dispositivos de próxima generación debido a la velocidad a la que las señales electrónicas se deslizan por su superficie casi perfectamente plana.

Pero hay un problema:ciertos componentes de la computadora, como sistemas de memoria y almacenamiento, deben estar hechos de materiales que tengan propiedades tanto electrónicas como magnéticas. El grafeno tiene lo primero pero no lo segundo. CGT tiene ambos.

Su laboratorio también usó el interferómetro de Sagnac para un estudio publicado en Avances de la ciencia examinar lo que sucede en el momento preciso en que el bismuto y el níquel entran en contacto entre sí, nuevamente a una temperatura muy baja (en este caso, menos 452 grados Fahrenheit). Xia dijo que su equipo encontró en la interfaz entre los dos metales "un superconductor exótico que rompe la simetría de inversión del tiempo".

"Imagina que retrocedes el reloj y una taza de té rojo se vuelve verde. ¿No haría eso muy exótico este té? Esto es realmente exótico para los superconductores, ", dijo." Y es la primera vez que se observa en materiales 2-D ".

Los portadores de señal en este superconductor 2-D son fermiones de Majorana, que podría usarse para una operación de trenzado que los teóricos creen que es vital para la computación cuántica.

"El problema ahora es intentar lograrlo a temperaturas normales, "Dijo Xia. El tercer estudio se muestra prometedor para superar ese obstáculo.

En 2012, El laboratorio de Xia entregó a la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa un oscilador de radiofrecuencia construido alrededor de hexaboruro de samario. La sustancia es un aislante en el interior, pero permite que la corriente portadora de señales hecha de fermiones de Dirac fluya libremente en su superficie bidimensional.

Usando un aparato especial construido en el laboratorio Xia, también uno de los dos únicos en el mundo, los investigadores de la UCI aplicaron tensión de tracción a la muestra de hexaboruro de samario y demostraron en el Materiales de la naturaleza estudian que podrían estabilizar el estado de la superficie 2-D a menos 27 grados Fahrenheit.

"Por extraño que parezca, hace más calor que en algunas partes de Canadá, Xia bromeó. "Este trabajo es un gran paso hacia el desarrollo de futuras computadoras cuánticas a casi temperatura ambiente".