Una imagen de microscopio electrónico de barrido muestra el crecimiento de disulfuro de tungsteno sobre un sustrato de zafiro (área clara). El área gris media muestra disulfuro de tungsteno monocapa y el área oscura muestra disulfuro de tungsteno multicapa. Después de hacer crecer el disulfuro de tungsteno en el zafiro, los investigadores lo transfieren al sulfuro de europio. Crédito:Chuan Zhao / Universidad de Buffalo
Nueva investigación sobre disulfuro de tungsteno bidimensional (WS 2 ) podría abrir la puerta a los avances en la computación cuántica.
En un artículo publicado el 13 de septiembre en Comunicaciones de la naturaleza , Los científicos informan que pueden manipular las propiedades electrónicas de este material superdelgado de formas que podrían ser útiles para codificar datos cuánticos.
El estudio trata sobre WS 2 valles de energía, qué físico de la Universidad de Buffalo Hao Zeng, coautor principal del artículo, describe como "los extremos de energía local de la estructura electrónica en un sólido cristalino".
Los valles se corresponden con energías específicas que los electrones pueden tener en un material, y la presencia de un electrón en un valle frente a otro se puede utilizar para codificar información. Un electrón en un valle puede representar un 1 en código binario, mientras que un electrón en el otro puede representar un 0.
La capacidad de controlar dónde se pueden encontrar los electrones podría producir avances en la computación cuántica, permitiendo la creación de qubits, la unidad básica de información cuántica. Los Qubits tienen la misteriosa cualidad de poder existir no solo en un estado de 1 o 0, pero en una "superposición" relacionada con ambos estados.
El artículo de Nature Communications marca un paso hacia estas tecnologías futuras, demostrando un método novedoso para manipular estados de valle en WS 2 .
Zeng, Doctor., Catedrático de Física de la Facultad de Artes y Ciencias de la UB, lideró el proyecto con Athos Petrou, Doctor., Catedrático Distinguido de Física de la UB, y Renat Sabirianov, Doctor., catedrático de física en la Universidad de Nebraska Omaha. Otros coautores incluyeron a los estudiantes graduados en física de la UB Tenzin Norden, Chuan Zhao y Peiyao Zhang. La investigación fue financiada por la National Science Foundation.
Cambiando los valles energéticos del disulfuro de tungsteno
El disulfuro de tungsteno bidimensional es una capa única del material de tres átomos de espesor. En esta configuración, WS 2 tiene dos valles de energía, ambos con la misma energía.
Investigaciones anteriores han demostrado que la aplicación de un campo magnético puede cambiar la energía de los valles en direcciones opuestas, reducir la energía de un valle para hacerlo "más profundo" y más atractivo para los electrones, mientras se eleva la energía del otro valle para hacerlo "menos profundo, "Dice Zeng.
Los investigadores de la UB trabajan con un sistema de deposición de película fina de doble cámara que se puede utilizar para sintetizar materiales de película fina. En el nuevo estudio, esta máquina se utilizó para crear películas de sulfuro de europio y trióxido de tungsteno, un precursor del disulfuro de tungsteno 2D. Crédito:Douglas Levere / Universidad de Buffalo
"Demostramos que el cambio en la energía de los dos valles se puede ampliar en dos órdenes de magnitud si colocamos una capa delgada de sulfuro de europio magnético debajo del disulfuro de tungsteno, "Dice Zeng." Cuando aplicamos un campo magnético de 1 Tesla, somos capaces de lograr un cambio enorme en la energía de los valles, equivalente a lo que podríamos esperar lograr aplicando un campo magnético de unos cien Tesla si el sulfuro de europio no estuviera presente ".
"El tamaño del efecto era muy grande, era como usar un amplificador de campo magnético, "Dice Petrou." Fue tan sorprendente que tuvimos que revisarlo varias veces para asegurarnos de que no cometimos errores ".
¿El final resulto? La capacidad de manipular y detectar electrones en los valles se mejora enormemente, cualidades que podrían facilitar el control de qubits para computación cuántica.
Los estados del valle como qubits para la computación cuántica
Como otras formas de computación cuántica, La computación cuántica basada en valles se basaría en las extravagantes cualidades de las partículas subatómicas, en este caso los electrones, para realizar cálculos poderosos.
Los electrones se comportan de formas que pueden parecer extrañas:pueden estar en varios lugares a la vez, por ejemplo. Como resultado, 1 y 0 no son los únicos estados posibles en sistemas que usan electrones en valles como qubits. Un qubit también puede estar en cualquier superposición de estos estados, permitir que las computadoras cuánticas exploren muchas posibilidades simultáneamente, Dice Zeng.
"Esta es la razón por la que la computación cuántica es tan poderosa para ciertas tareas especiales, "Dice Zeng." Debido a la naturaleza probabilística y aleatoria de la computación cuántica, es particularmente adecuado para aplicaciones como inteligencia artificial, criptografía, Modelado financiero y simulaciones de mecánica cuántica para diseñar mejores materiales. Sin embargo, es necesario superar muchos obstáculos, y es probable que nos falten muchos años si la computación cuántica universal escalable se convierte en realidad ".
El nuevo estudio se basa en el trabajo anterior de Zeng y Petrou, en el que utilizaron sulfuro de europio y campos magnéticos para alterar la energía de dos valles en otro material 2-D:diselenuro de tungsteno (WSe 2 ).
Aunque WS 2 y WSe 2 son similares, respondieron de manera diferente al ejercicio de "división de valles". En WS 2 , el valle que se hizo "más profundo" era análogo al valle en WSe 2 que se volvió "más superficial, " y viceversa, creando oportunidades para explorar cómo esta distinción podría proporcionar flexibilidad en las aplicaciones de la tecnología.
Una característica que comparten ambos materiales podría beneficiar a la computación cuántica:en ambos WS 2 y WSe 2 , los electrones que pueblan los dos valles de energía tienen espines opuestos, una forma de momento angular. Si bien este rasgo no es necesario para crear un qubit, que "proporciona cierta protección de los estados cuánticos, haciéndolos más robustos, "Dice Zeng.
