El comportamiento cuántico juega un papel crucial en las propiedades materiales nuevas y emergentes, como la superconductividad y el magnetismo. Desafortunadamente, todavía es imposible calcular el comportamiento cuántico subyacente, y mucho menos entenderlo completamente. Científicos de QuTech, el Instituto Kavli de Nanociencia en Delft y TNO, en colaboración con ETH Zurich y la Universidad de Maryland, ahora han logrado construir un "material artificial" que imita este tipo de comportamiento cuántico a pequeña escala. Al hacerlo, han sentado las bases para nuevos conocimientos y aplicaciones potenciales. Su trabajo se publica hoy en Naturaleza .

Durante el siglo pasado, una mayor comprensión de los materiales semiconductores ha llevado a muchas mejoras tecnológicas, como los chips de computadora cada vez más rápidos y más pequeños. Nosotros estamos, sin embargo, llegando gradualmente a los límites de la Ley de Moore, la tendencia que predice una duplicación de la potencia informática por la mitad del precio cada dos años. Pero esta predicción ignora la posibilidad de que las computadoras puedan aprovechar la física cuántica.

"Queda tanta física por descubrir si realmente queremos comprender los materiales en la escala más pequeña, "dice Lieven Vandersypen, profesor de TU Delft en los Países Bajos y el principal experimentalista del nuevo artículo. Y esa nueva física está preparada para traer aún más tecnología nueva. "La dificultad es que, a esta escala, La teoría cuántica determina el comportamiento de los electrones y es prácticamente imposible calcular este comportamiento con precisión incluso para un puñado de electrones. utilizando incluso las supercomputadoras más potentes, "Dice Vandersypen.

Los científicos ahora están combinando el poder de la industria de los semiconductores con su conocimiento de la tecnología cuántica para imitar el comportamiento de los electrones en los materiales, una técnica conocida como simulación cuántica. "Espero que, en el futuro cercano, esto nos permitirá aprender tanto sobre los materiales que podremos abrir algunas puertas importantes en tecnología, como el diseño de superconductores a temperatura ambiente, hacer posible el transporte de energía sin pérdidas a largas distancias, por ejemplo, "Dice Vandersypen.

Imitando la naturaleza

Se sabe desde hace mucho tiempo que los electrones individuales pueden confinarse a pequeñas regiones en un chip, conocidos como puntos cuánticos. Existen, en principio, adecuado para investigar el comportamiento y las interacciones de los electrones en los materiales. Los electrones capturados pueden moverse, o túnel, entre los puntos cuánticos de forma controlada, mientras interactúan a través de la repulsión de sus cargas negativas. "Procesos como estos en puntos cuánticos, enfriado a una fracción de grado por encima del cero absoluto, son perfectamente adecuados para simular las propiedades electrónicas de nuevos materiales, "dice Toivo Hensgens, estudiante de posgrado en TU Delft y autor principal del artículo.

En la práctica, es un gran desafío controlar los electrones en puntos cuánticos con tanta precisión que la física subyacente se vuelve visible. Las imperfecciones en los chips cuánticos y los métodos ineficientes para controlar los electrones en los puntos han hecho de este un hueso particularmente difícil de romper.

Equipo cuántico

Los investigadores ahora han demostrado un método que es efectivo y se puede escalar a un mayor número de puntos cuánticos. El número de electrones en cada punto cuántico se puede establecer de 0 a 4 y la posibilidad de tunelización entre puntos vecinos puede variar desde insignificante hasta el punto en el que los puntos vecinos se convierten en un punto grande. "Usamos voltajes para distorsionar el paisaje (potencial) que sienten los electrones, ", explica Hensgens." Ese voltaje determina el número de electrones en los puntos y las interacciones relativas entre ellos ".

En un chip cuántico con tres puntos cuánticos, el equipo de QuTech ha demostrado que son capaces de simular una serie de procesos de materiales de forma experimental. Pero el resultado más importante es el método que han demostrado. "Ahora podemos agregar fácilmente más puntos cuánticos con electrones y controlar el paisaje potencial de tal manera que, en última instancia, podemos simular procesos cuánticos muy grandes e interesantes". "Dice Hensgens.

El equipo de Vandersypen tiene como objetivo avanzar hacia más puntos cuánticos lo antes posible. Para lograr eso, él y sus colegas han entablado una estrecha colaboración con el fabricante de chips Intel. "Su conocimiento y experiencia en la fabricación de semiconductores combinados con nuestro profundo conocimiento del control cuántico ofrece oportunidades que ahora van a dar sus frutos, " él dice.