Ya hemos encontrado muchos superconductores, pero esta caprichosa ilustración muestra por qué las nuevas propiedades de un superconductor pueden hacerlo especialmente útil. Los superconductores más conocidos son singletes de espín, encontrado en la isla de la izquierda. Ditelurida de uranio, sin embargo, es un triplete de espín raro, encontrado en la isla de la derecha, y también existe en la cima de una montaña que representa su inusualmente alta resistencia a los campos magnéticos. Estas propiedades pueden convertirlo en un buen material para hacer qubits, que podría mantener la coherencia en una computadora cuántica a pesar de la interferencia del entorno circundante. Crédito:Natasha Hanacek / NIST
Un material potencialmente útil para construir computadoras cuánticas ha sido descubierto en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). cuyos científicos han encontrado un superconductor que podría esquivar uno de los principales obstáculos que se interponen en el camino de los circuitos de lógica cuántica efectivos.
Propiedades recientemente descubiertas en el compuesto ditelurida de uranio, o UTe 2 , muestran que podría resultar muy resistente a uno de los némesis del desarrollo de la computadora cuántica:la dificultad de hacer que los interruptores de almacenamiento de memoria de una computadora de este tipo, llamados qubits, funcionan el tiempo suficiente para terminar un cálculo antes de perder la delicada relación física que les permite operar como un grupo. Esta relacion, llamada coherencia cuántica, es difícil de mantener debido a las perturbaciones del mundo circundante.
La inusual y fuerte resistencia del compuesto a los campos magnéticos lo convierte en un ave rara entre los materiales superconductores (SC), que ofrecen distintas ventajas para el diseño de qubit, principalmente su resistencia a los errores que pueden introducirse fácilmente en la computación cuántica. UTe 2 Los comportamientos excepcionales podrían hacerlo atractivo para la naciente industria de las computadoras cuánticas, según Nick Butch del equipo de investigación.
"Este es potencialmente el silicio de la era de la información cuántica, "dijo Butch, físico del Centro de Investigación de Neutrones del NIST (NCNR). "Se podría usar ditelururo de uranio para construir los qubits de una computadora cuántica eficiente".
Resultados de la investigación del equipo, que también incluye científicos de la Universidad de Maryland y el Laboratorio Ames, aparecer hoy en la revista Ciencias . Su documento detalla UTe 2 propiedades poco comunes, que son interesantes desde las perspectivas tanto de la aplicación tecnológica como de la ciencia fundamental.
Uno de ellos es la forma inusual en que los electrones que conducen la electricidad a través de UTe 2 asociarse. En alambre de cobre o algún otro conductor ordinario, los electrones viajan como partículas individuales, pero en todos los SC forman lo que se denomina pares de Cooper. Las interacciones electromagnéticas que causan estos emparejamientos son responsables de la superconductividad del material. La explicación de este tipo de superconductividad se llama teoría BCS en honor a los tres científicos que descubrieron los emparejamientos (y compartieron el Premio Nobel por hacerlo).
Lo que es específicamente importante para este emparejamiento de Cooper es una propiedad que tienen todos los electrones. Conocido como "spin cuántico", "hace que los electrones se comporten como si cada uno de ellos tuviera un pequeño imán de barra a través de ellos. En la mayoría de los SC, los electrones emparejados tienen sus espines cuánticos orientados de una sola manera:un electrón apunta hacia arriba, mientras su compañero apunta hacia abajo. Este emparejamiento opuesto se llama singlete de espín.
Un pequeño número de superconductores conocidos, aunque, son inconformistas, y UTe 2 parece estar entre ellos. Sus pares de Cooper pueden tener sus giros orientados en una de tres combinaciones, haciéndolos girar trillizos. Estas combinaciones permiten que los giros del par de Cooper se orienten en paralelo en lugar de en oposición. Se predice que la mayoría de los SC de tripletes de espín también serán SC "topológicos", con una propiedad muy útil en la que la superconductividad se produciría en la superficie del material y seguiría siendo superconductora incluso frente a perturbaciones externas.
"Estos pares de espines paralelos podrían ayudar a que la computadora siga funcionando, "Dijo Butch." No puede colapsar espontáneamente debido a fluctuaciones cuánticas ".
Todas las computadoras cuánticas hasta este momento han necesitado una forma de corregir los errores que surgen de su entorno. Se ha entendido desde hace mucho tiempo que los SC tienen ventajas generales como base para los componentes de la computadora cuántica, y varios avances comerciales recientes en el desarrollo de computadoras cuánticas han involucrado circuitos hechos de superconductores. Las propiedades de un SC topológico, que podría emplear una computadora cuántica, tendrían la ventaja adicional de no necesitar corrección de errores cuánticos.
"Queremos un SC topológico porque le proporcionaría qubits sin errores. Podrían tener una vida útil muy larga, "Dijo Butch." Los SC topológicos son una ruta alternativa a la computación cuántica porque protegerían al qubit del medio ambiente ".
El equipo tropezó con UTe 2 mientras explora los imanes a base de uranio, cuyas propiedades electrónicas se pueden ajustar según se desee cambiando su química, presión o campo magnético:una característica útil que debe tener cuando desee materiales personalizables. (Ninguno de estos parámetros se basa en la radiactividad. El material contiene "uranio empobrecido, "que es solo ligeramente radiactivo. Qubits hechos de UTe 2 sería diminuto, y el resto de la computadora podría protegerlos fácilmente de su entorno).
El equipo no esperaba que el compuesto poseyera las propiedades que descubrieron.
"UTe 2 se creó por primera vez en la década de 1970, e incluso artículos de investigación bastante recientes lo describieron como anodino, "Butch dijo." Pasamos a hacer algo de UTe 2 mientras sintetizábamos materiales relacionados, así que lo probamos a temperaturas más bajas para ver si tal vez se hubiera pasado por alto algún fenómeno. Rápidamente nos dimos cuenta de que teníamos algo muy especial en nuestras manos ".
El equipo de NIST comenzó a explorar UTe 2 con herramientas especializadas tanto en el NCNR como en la Universidad de Maryland. Vieron que se volvía superconductor a bajas temperaturas (por debajo de -271,5 grados Celsius, o 1,6 kelvin). Sus propiedades superconductoras se parecían a las de los superconductores raros que también son simultáneamente ferromagnéticos, actuando como imanes permanentes de baja temperatura. Todavía, curiosamente, UTe 2 en sí mismo no es ferromagnético.
"Eso hace que UTe 2 fundamentalmente nuevo por esa sola razón, "Dijo Butch.
También es muy resistente a los campos magnéticos. Normalmente, un campo destruirá la superconductividad, pero dependiendo de la dirección en la que se aplique el campo, UTe 2 Puede soportar campos de hasta 35 tesla. Esto es 3, 500 veces más fuerte que un imán de refrigerador típico, y muchas veces más de lo que pueden soportar la mayoría de los SC topológicos de baja temperatura.
Si bien el equipo aún no ha demostrado de manera concluyente que UTe 2 es un SC topológico, Butch dice que esta resistencia inusual a los campos magnéticos fuertes significa que debe ser un triplete de espín SC, y por lo tanto es probable que también sea un SC topológico. Esta resistencia también podría ayudar a los científicos a comprender la naturaleza de UTe. 2 y quizás la propia superconductividad.
"Explorarlo más a fondo podría darnos una idea de lo que estabiliza estos SC de espín paralelo, ", dijo." Un objetivo principal de la investigación de SC es ser capaz de comprender la superconductividad lo suficientemente bien como para saber dónde buscar materiales SC no descubiertos. Ahora mismo no podemos hacer eso. ¿Qué de ellos es esencial? Esperamos que este material nos diga más ".
El estudio se publica en la revista Ciencias .
