Físicos estadounidenses y alemanes han encontrado pruebas sorprendentes de que uno de los fenómenos más famosos de la física moderna, el efecto Hall cuántico, se "reencarna" en superconductores topológicos que podrían usarse para construir computadoras cuánticas tolerantes a fallas.

El descubrimiento de 1980 del efecto Hall cuántico inició el estudio de los órdenes topológicos, estados electrónicos con patrones "protegidos" de entrelazamiento cuántico de largo alcance que son notablemente robustos. La estabilidad de estos estados protegidos es extremadamente atractiva para la computación cuántica, que utiliza el entrelazamiento cuántico para almacenar y procesar información.

En un estudio publicado en línea este mes en Revisión física X ( PRX ), físicos teóricos de la Universidad de Rice, la Universidad de California, Berkeley (UC Berkeley), y el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) en Karlsruhe, Alemania, presentó una fuerte evidencia numérica de un vínculo sorprendente entre las fases 2-D y 3-D de la materia topológica. El efecto Hall cuántico se descubrió en materiales 2-D, y los laboratorios de todo el mundo están en una carrera para fabricar superconductores topológicos tridimensionales para la computación cuántica.

"En este trabajo hemos demostrado que una clase particular de superconductores topológicos 3-D deberían exhibir 'pilas de energía' de estados electrónicos 2-D en sus superficies, "dijo el coautor de Rice, Matthew Foster, profesor asociado de física y astronomía y miembro del Rice Center for Quantum Materials (RCQM). "Cada uno de estos estados apilados es una robusta 'reencarnación' de un solo, estado muy especial que se produce en el efecto Hall cuántico 2-D ".

El efecto Hall cuántico se midió por primera vez en materiales bidimensionales. Foster utiliza una analogía de "percolación" para ayudar a visualizar las extrañas similitudes entre lo que ocurre en los experimentos cuánticos de Hall 2-D y los modelos computacionales 3-D del estudio.

"Imagina una hoja de papel con un mapa de picos y valles escarpados, y luego imagina lo que sucede cuando llenas de agua ese paisaje, ", dijo." El agua son nuestros electrones, y cuando el nivel de líquido es bajo, solo tienes lagos aislados de electrones. Los lagos están desconectados unos de otros, y los electrones no pueden conducir a través de la masa. Si el nivel del agua es alto, tienes islas aisladas, y en este caso las islas son como los electrones, y tampoco obtienes conducción masiva ".

En la analogía de Foster, el paisaje accidentado es el potencial eléctrico del material 2-D, y el nivel de rugosidad corresponde a la cantidad de impurezas en el sistema. El nivel del agua representa la "energía Fermi, "un concepto en física que se refiere al nivel de llenado de electrones en un sistema. Los bordes del mapa de papel son análogos a los bordes 1D que rodean el material 2-D.

"Si agrega agua y ajusta el nivel del líquido con precisión hasta el punto en que tiene pequeños puentes de agua que conectan los lagos y pequeños puentes de tierra que conectan las islas, entonces es tan fácil viajar por agua como por tierra, "Dijo Foster." Ese es el umbral de percolación, que corresponde a la transición entre estados topológicos en Quantum Hall. Este es el estado 2-D especial en Quantum Hall.

"Si aumenta más el nivel de líquido, ahora los electrones están atrapados en islas aisladas, y pensarías 'Bien, Tengo la misma situación que tuve antes, sin conducción. Pero, en la transición especial, uno de los estados electrónicos se ha despegado hasta el borde. Agregar más líquido no elimina el estado del borde, que puede dar la vuelta a toda la muestra, y nada puede detenerlo ".

La analogía describe la relación entre la conducción de borde robusta y el ajuste fino a granel a través de la transición especial en el efecto Hall cuántico. En el estudio PRX, Foster y los coautores Björn Sbierski de UC Berkeley y Jonas Karcher de KIT estudiaron sistemas topológicos 3-D que son similares a los paisajes 2-D en la analogía.

"Las cosas interesantes en estos sistemas 3-D también están sucediendo solo en el límite, ", Dijo Foster." Pero ahora nuestros límites no son estados de borde 1D, son superficies bidimensionales ".

Usando "cálculos numéricos de fuerza bruta de los estados de la superficie, "Sbierski, Karcher y Foster encontraron un vínculo entre el estado cuántico de Hall 2-D crítico y los sistemas 3-D. Como el estado de borde 1D que persiste por encima de la energía de transición en materiales de Hall cuántico 2-D, los cálculos revelaron un estado límite 2-D persistente en los sistemas 3-D. Y no cualquier estado 2-D; es exactamente el mismo estado de percolación 2-D el que da lugar a los estados de borde de Hall cuánticos 1D.

"Lo que fue una transición de fase cuántica topológica afinada en 2-D se ha 'reencarnado' como el estado de superficie genérico para un volumen dimensional superior, ", Dijo Foster". En el estudio de 2018, mi grupo identificó una conexión análoga entre un tipo más exótico de efecto Hall cuántico 2-D y los estados de superficie de otra clase de superconductores topológicos 3-D. Con esta nueva evidencia, ahora estamos seguros de que existe una profunda razón topológica para estas conexiones, pero por el momento las matemáticas siguen siendo oscuras ".

Los superconductores topológicos aún no se han realizado experimentalmente, pero los físicos están tratando de crearlos agregando impurezas a los aislantes topológicos. Este proceso, conocido como dopaje, se ha utilizado ampliamente para fabricar otros tipos de superconductores no convencionales a partir de aisladores a granel.

"Ahora tenemos evidencia de que tres de las cinco fases topológicas 3-D están ligadas a fases 2-D que son versiones del efecto Hall cuántico, y las tres fases 3-D podrían realizarse en 'superconductores topológicos, '", Dijo Foster.

Foster dijo que la sabiduría convencional en la física de la materia condensada ha sido que los superconductores topológicos albergarían cada uno solo un estado de superficie 2-D protegido y todos los demás estados se verían afectados negativamente por imperfecciones inevitables en los materiales de estado sólido utilizados para fabricar los superconductores.

Pero Sbierski, Los cálculos de Karcher y Foster sugieren que ese no es el caso.

"En Quantum Hall, puede sintonizar en cualquier lugar y aún así obtener esta sólida meseta en conductancia, debido a los estados de borde 1D, "Dijo Foster." Nuestro trabajo sugiere que ese también es el caso en 3-D. Vemos pilas de estados críticos en diferentes niveles de energía, y todos ellos están protegidos por esta extraña reencarnación del estado de transición de Hall cuántico 2-D ".

Los autores también prepararon el escenario para el trabajo experimental para verificar sus hallazgos, elaborando detalles de cómo deberían aparecer los estados superficiales de las fases 3-D en varias sondas experimentales.

"Proporcionamos 'huellas dactilares' estadísticas precisas para los estados de superficie de las fases topológicas, "Dijo Foster." Las funciones de onda reales son aleatorias, debido al desorden, pero sus distribuciones son universales y coinciden con la transición de Hall cuántica ".