Las computadoras cuánticas prometen realizar operaciones de gran importancia que se consideran imposibles para nuestra tecnología actual. Las computadoras actuales procesan información a través de transistores que transportan una de dos unidades de información, ya sea un 1 o un 0. La computación cuántica se basa en el comportamiento mecánico cuántico de la unidad lógica. Cada unidad cuántica, o "qubit, "puede existir en una superposición cuántica en lugar de tomar valores discretos. Los mayores obstáculos para la computación cuántica son los qubits mismos; es un desafío científico continuo crear unidades lógicas lo suficientemente robustas para transportar instrucciones sin verse impactadas por el entorno circundante y los errores resultantes.

Los físicos han teorizado que un nuevo tipo de material, llamado aislante topológico tridimensional (3-D) (TI), podría ser un buen candidato para crear qubits que sean resistentes a estos errores y estén protegidos de perder su información cuántica. Este material tiene un interior aislante y superficies superior e inferior metálicas que conducen la electricidad. La propiedad más importante de los aislantes topológicos 3D es que se predice que las superficies conductoras estarán protegidas de la influencia del entorno. Existen pocos estudios que hayan probado experimentalmente cómo se comportan los TI en la vida real.

Un nuevo estudio de la Universidad de Utah encontró que, de hecho, cuando las capas aislantes son tan delgadas como 16 capas atómicas quíntuples de ancho, las superficies metálicas superior e inferior comienzan a influirse entre sí y destruyen sus propiedades metálicas. El experimento demuestra que las superficies opuestas comienzan a influirse entre sí en un interior aislante mucho más grueso de lo que habían demostrado estudios anteriores. posiblemente acercándose a un raro fenómeno teórico en el que las superficies metálicas también se vuelven aislantes a medida que el interior se adelgaza.

"Los aislantes topológicos podrían ser un material importante en la futura computación cuántica. Nuestros hallazgos han descubierto una nueva limitación en este sistema, "dijo Vikram Deshpande, profesor asistente de física en la Universidad de Utah y autor correspondiente del estudio. "Las personas que trabajan con aislantes topológicos necesitan saber cuáles son sus límites. Resulta que a medida que se acerca a ese límite, cuando estas superficies comienzan a "hablar" entre sí, aparece nueva física, que también es bastante bueno en sí mismo ".

El nuevo estudio publicado el 16 de julio, 2019 en la revista Cartas de revisión física .

Sándwiches descuidados construidos a partir de aislantes topológicos

Imagine un libro de texto de tapa dura como un aislante topológico tridimensional, Dijo Deshpande. La mayor parte del libro son las páginas, que es una capa aislante, no puede conducir electricidad. Las propias tapas duras representan las superficies metálicas. Hace diez años, Los físicos descubrieron que estas superficies podían conducir electricidad, y nació un nuevo campo topológico.

Deshpande y su equipo crearon dispositivos utilizando TI 3-D apilando cinco capas delgadas de unos pocos átomos de varios materiales en estructuras descuidadas en forma de sándwich. El núcleo a granel del sándwich es el aislante topológico, hecho de unas cuantas capas quíntuples de seleniuro de telurio de antimonio de bismuto (Bi _{2 -X} Sb _X Te _{3 -y} Sey). Este núcleo está intercalado por unas pocas capas de nitruro de boro, y se remata con dos capas de grafito, encima y por debajo. El grafito funciona como puertas metálicas, esencialmente creando dos transistores que controlan la conductividad. El año pasado, Deshpande dirigió un estudio que mostró que esta receta topológica construyó un dispositivo que se comportó como cabría esperar:aisladores a granel que protegen las superficies metálicas del entorno circundante.

En este estudio, manipularon los dispositivos 3-D TI para ver cómo cambiaban las propiedades. Primero, construyeron heteroestructuras de van der Waal, esos sándwiches descuidados, y los expusieron a un campo magnético. El equipo de Deshpande probó muchos en su laboratorio de la Universidad de Utah y el primer autor Su Kong Chong, candidato a doctorado en la U, viajó al Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Tallahassee para realizar los mismos experimentos allí utilizando uno de los campos magnéticos más altos del país. En presencia del campo magnético, un patrón de tablero de ajedrez emergió de las superficies metálicas, mostrando las vías por las que la corriente eléctrica se moverá en la superficie. Los tableros de ajedrez que consta de conductividades cuantificadas frente a voltajes en las dos puertas, están bien definidos, con la cuadrícula que se cruza en puntos de intersección nítidos, permitiendo a los investigadores rastrear cualquier distorsión en la superficie.

Comenzaron con la capa aislante de 100 nanómetros de espesor, aproximadamente una milésima parte del diámetro de un cabello humano, y se adelgazó progresivamente hasta los 10 nanómetros. El patrón comenzó a distorsionarse hasta que la capa aislante tuvo un grosor de 16 nanómetros, cuando los puntos de intersección comenzaron a romperse, creando un espacio que indicaba que las superficies ya no eran conductoras.

"Esencialmente, hemos convertido algo que era metálico en algo aislante en ese espacio de parámetros. El objetivo de este experimento es que podemos cambiar de forma controlable la interacción entre estas superficies, ", dijo Deshpande." Empezamos siendo completamente independientes y metálicos, y luego empezar a acercarlos más y más hasta que empiecen a 'hablar, 'y cuando están muy cerca, esencialmente se abren y se vuelven aislantes ".

Experimentos anteriores en 2010 y 2012 también habían observado la brecha de energía en las superficies metálicas a medida que el material aislante se adelgaza. Pero esos estudios concluyeron que la brecha de energía apareció con capas aislantes mucho más delgadas, de cinco nanómetros de tamaño. Este estudio observó que las propiedades de la superficie metálica se descomponen a un espesor interior mucho mayor, hasta 16 nanómetros. Los otros experimentos utilizaron diferentes métodos de "ciencia de la superficie" donde observaron los materiales a través de un microscopio con una punta metálica muy afilada para observar cada átomo individualmente o estudiarlos con luz muy enérgica.

"Estos fueron experimentos extremadamente complicados que están bastante lejos de la creación de dispositivos que estamos haciendo, "dijo Deshpande.

Próximo, Deshpande y el equipo observarán más de cerca la física que crea esa brecha de energía en las superficies. Él predice que estas brechas pueden ser positivas o negativas dependiendo del espesor del material.