Estructura de contacto de punto cuántico (izquierda) en la que un voltaje aplicado restringe el movimiento de los electrones a una dimensión, con conductancia (derecha) que muestra el efecto del campo magnético aplicado (rojo). Crédito:UNSW
¿Por qué es importante estudiar las propiedades de espín de los nanocables cuánticos unidimensionales?
Los nanocables cuánticos, que tienen longitud pero no anchura ni altura, proporcionan un entorno único para la formación y detección de una cuasipartícula conocida como modo cero de Majorana.
Un nuevo estudio dirigido por la UNSW supera la dificultad anterior para detectar el modo cero de Majorana, y produce una mejora significativa en la reproducibilidad del dispositivo.
Las aplicaciones potenciales para los modos cero de Majorana incluyen computadoras cuánticas topológicas resistentes a fallas, y superconductividad topológica.
Fermiones de Majorana en hilos 1-D
Un fermión de Majorana es una partícula compuesta que es su propia antipartícula.
El interés académico y comercial de una partícula tan inusual proviene de su uso potencial en una computadora cuántica topológica, predice que será inmune a la decoherencia que aleatoriza la preciosa información cuántica.
Los modos cero de Majorana se pueden crear en cables cuánticos hechos de materiales especiales en los que existe un fuerte acoplamiento entre sus propiedades eléctricas y magnéticas.
En particular, Los modos cero de Majorana se pueden crear en semiconductores unidimensionales (como nanocables semiconductores) cuando se combinan con un superconductor.
En un nanoalambre unidimensional, cuyas dimensiones perpendiculares a la longitud son lo suficientemente pequeñas como para no permitir ningún movimiento de partículas subatómicas, Predominan los efectos cuánticos.
Explicador de antimateria:cada partícula fundamental tiene una partícula de antimateria correspondiente, con la misma masa pero carga eléctrica opuesta. Por ejemplo, la antipartícula de un electrón (carga -1) es un positrón (carga +1). Crédito:UNSW
Nuevo método para detectar la brecha de giro-órbita necesaria
Los sistemas de semiconductores unidimensionales con una fuerte interacción espín-órbita están atrayendo gran atención debido a sus posibles aplicaciones en la computación cuántica topológica.
El 'giro' magnético de un electrón es como un pequeño imán de barra, cuya orientación se puede configurar con un campo magnético aplicado.
En materiales con una 'interacción espín-órbita', el espín de un electrón está determinado por la dirección del movimiento, incluso con campo magnético cero. Esto permite toda la manipulación eléctrica de las propiedades cuánticas magnéticas.
La aplicación de un campo magnético a un sistema de este tipo puede abrir una brecha de energía tal que los electrones que se mueven hacia adelante tengan todos la misma polarización de espín, y los electrones que se mueven hacia atrás tienen la polarización opuesta. Este 'spin-gap' es un requisito previo para la formación de modos cero de Majorana.
A pesar del intenso trabajo experimental, ha demostrado ser extremadamente difícil detectar sin ambigüedades este spin-gap en nanocables semiconductores, dado que la firma característica del spin-gap (una caída en su meseta de conductancia cuando se aplica un campo magnético) es muy difícil de distinguir del inevitable desorden de fondo en los nanocables.
El nuevo estudio encuentra un nuevo Firma inequívoca de la brecha de giro-órbita que es impermeable a los efectos del desorden que plagan los estudios anteriores.
"Esta firma se convertirá en el estándar de facto para detectar spin-gaps en el futuro, "dice la autora principal, la Dra. Karina Hudson.
Fermiones de Majorana, que son su propia antipartícula, se han teorizado desde 1937, pero solo se han observado experimentalmente en la última década. La "inmunidad" del fermión de Majorana a la decoherencia proporciona un uso potencial para la computación cuántica tolerante a fallas. Crédito:UNSW
Reproducibilidad
El uso de modos cero de Majorana en una computadora cuántica escalable enfrenta un desafío adicional debido al desorden aleatorio y las imperfecciones en los nanocables autoensamblados que albergan el MZM.
Anteriormente, era casi imposible fabricar dispositivos reproducibles, con solo alrededor del 10% de los dispositivos funcionando dentro de los parámetros deseados.
Los últimos resultados de UNSW muestran una mejora significativa, con resultados reproducibles en seis dispositivos basados en tres obleas iniciales diferentes.
"Este trabajo abre una nueva ruta para hacer dispositivos completamente reproducibles, "dice el autor correspondiente, el Prof. Alex Hamilton UNSW).
"Nuevas firmas de la brecha de espín en contactos de puntos cuánticos" se publicó en Comunicaciones de la naturaleza en enero de 2021.
