Muévete sobre Godzilla vs. King Kong:este es el evento cruzado que estabas esperando. Bien, al menos si eres un físico de materia condensada. Los investigadores de la Universidad de Harvard han demostrado el primer material que puede tener interacciones electrónicas fuertemente correlacionadas y propiedades topológicas. ¿No estás del todo seguro de lo que eso significa? No te preocupes, lo guiaremos a través de él. Todo lo que necesita saber en este momento es que este descubrimiento no solo allana el camino para una computación cuántica más estable, sino también una plataforma completamente nueva para explorar el mundo salvaje de la física exótica.

La investigación fue publicada en Física de la naturaleza .

Empecemos con lo básico. Los aislantes topológicos son materiales que pueden conducir electricidad en su superficie o borde pero no en el medio. Lo extraño de estos materiales es que no importa cómo los corte, la superficie siempre será conductora y el medio siempre aislante. Estos materiales ofrecen un campo de juego para la física fundamental, pero también son prometedores para una serie de aplicaciones en tipos especiales de electrónica y computación cuántica.

Desde el descubrimiento de los aislantes topológicos, investigadores de todo el mundo han estado trabajando para identificar materiales con estas poderosas propiedades.

"Un auge reciente en la física de la materia condensada ha venido del descubrimiento de materiales con propiedades protegidas topológicamente, "dijo Harris Pirie, estudiante de posgrado en el Departamento de Física y primer autor del artículo.

Un material potencial, hexaboruro de samario, ha estado en el centro de un feroz debate entre los físicos de la materia condensada durante más de una década. La pregunta central:¿es o no es un aislante topológico?

"Durante los últimos diez años, han salido un montón de periódicos diciendo que sí y han salido un montón de periódicos diciendo que no, ", dijo Pirie." El quid de la cuestión es que la mayoría de los materiales topológicos no tienen electrones que interactúan fuertemente, lo que significa que los electrones se mueven demasiado rápido para sentirse entre sí. Pero el hexaboruro de samario sí lo hace, lo que significa que los electrones dentro de este material se ralentizan lo suficiente como para interactuar fuertemente. En este reino la teoría se vuelve bastante especulativa y no está claro si es posible que los materiales con propiedades que interactúan fuertemente también sean topológicos. Como experimentalistas, hemos estado operando en gran medida a ciegas con materiales como este ".

Para resolver el debate y resolver, de una vez por todas, si es posible o no tener propiedades topológicas y de fuerte interacción, Los investigadores primero necesitaban encontrar un parche bien ordenado de superficie de hexaboruro de samario en el que realizar el experimento.

No fue tarea fácil considerando que la mayor parte de la superficie del material es escarpada, lío desordenado. Los investigadores utilizaron herramientas de medición de ultra alta precisión desarrolladas en el laboratorio de Jenny Hoffman, el profesor de ciencia Clowes y autor principal del artículo, para encontrar un adecuado, parche a escala atómica de hexaboruro de samario.

Próximo, el equipo se propuso determinar si el material era topológicamente aislante enviando ondas de electrones a través del material y dispersándolos de los defectos atómicos, como dejar caer una piedra en un estanque. Al observar las olas, los investigadores pudieron calcular el impulso de los electrones en relación con su energía.

"Descubrimos que la cantidad de movimiento de los electrones es directamente proporcional a su energía, que es la pistola humeante de un aislante topológico, ", dijo Pirie." Es realmente emocionante estar finalmente moviéndonos hacia esta intersección de la física interactiva y la física topológica. No sabemos qué encontraremos aquí ".

En lo que respecta a la computación cuántica, Los materiales topológicos que interactúan fuertemente pueden proteger a los qubits de olvidar su estado cuántico, un proceso llamado decoherencia.

"Si pudiéramos codificar la información cuántica en un estado topológicamente protegido, es menos susceptible al ruido externo que puede cambiar accidentalmente el qubit, ", dijo Hoffman." Microsoft ya tiene un gran equipo que se dedica a la computación cuántica topológica en materiales compuestos y nanoestructuras. Nuestro trabajo demuestra un material topológico por primera vez en un solo que aprovecha las fuertes interacciones de electrones que eventualmente podrían usarse para la computación cuántica topológica ".

“El siguiente paso será utilizar la combinación de estados cuánticos protegidos topológicamente e interacciones fuertes para diseñar nuevos estados cuánticos de la materia, como superconductores topológicos, "dijo Dirk Morr, Profesor de Física en la Universidad de Illinois en Chicago y el teórico principal del artículo. "Sus extraordinarias propiedades podrían abrir posibilidades sin precedentes para la implementación de bits cuánticos topológicos".

Yu Liu es coautor de esta investigación, Anjan Soumyanarayanan, Pengcheng Chen, Yang He, M. M. Yee, P. F. S. Rosa, J. D. Thompson, Dae-Jeong Kim, Z. Fisk, Xiangfeng Wang, Johnpierre Paglione, y M. H. Hamidian.

Las mediciones electrónicas en Harvard y el crecimiento de cristales de hexaboruro de samario en UC Irvine fueron apoyadas por la National Science Foundation. El crecimiento de cristales en la Universidad de Maryland fue apoyado por la Fundación Gordon &Betty Moore. Las mediciones magnéticas en el Laboratorio Nacional de Los Alamos y el trabajo teórico en la Universidad de Illinois fueron apoyados por el Departamento de Energía.