El nanoalambre está suspendido entre dos conductores metálicos (violeta). El superconductor hecho de aluminio (azul) cubre parte de él dejando un espacio de alambre interior expuesto hecho de indio y arsénico (naranja). En la configuración con el cruce pequeño, los científicos esperaban ver los "medios electrones" separados en el superconductor expuesto, ilustrado por retratos de Ettore Majorana, los físicos italianos por quienes fueron nombrados. Pero no encontraron nada. En la configuración con el gran cruce, el núcleo expuesto del cable formó un punto cuántico y sus electrones interactuaron con los electrones en el recubrimiento superconductor formando la señal de imitación. Crédito:IST Austria
Las computadoras cuánticas prometen grandes avances en muchos campos, desde la criptografía hasta la simulación del plegamiento de proteínas. Todavía, Qué sistema físico funciona mejor para construir los bits cuánticos subyacentes sigue siendo una cuestión abierta. A diferencia de los bits normales de su computadora, estos llamados qubits no solo pueden tomar los valores 0 y 1, pero también mezclas de los dos. Si bien esto potencialmente los hace muy útiles, también se vuelven muy inestables.
Un enfoque para resolver este problema apuesta por los qubits topológicos que codifican la información en su disposición espacial. Eso podría proporcionar una base de cálculo más estable y resistente a errores que otras configuraciones. El problema es que nadie ha encontrado definitivamente un qubit topológico todavía.
Un equipo internacional de investigadores de Austria, Copenhague, y Madrid alrededor de Marco Valentini del grupo de Nanoelectrónica en IST Austria ahora han examinado una configuración que se predijo que produciría los llamados modos cero de Majorana, el ingrediente central para un qubit topológico. Descubrieron que una señal válida para tales modos puede ser de hecho una bandera falsa.
La mitad de un electrón
La configuración experimental está compuesta por un cable diminuto de solo unos cientos de nanómetros (algunas millonésimas de milímetro) de largo, cultivado por Peter Krogstrup de Microsoft Quantum y la Universidad de Copenhague. Estos nanocables, apropiadamente llamados, forman una conexión flotante entre dos conductores metálicos en un chip. Están recubiertos con un material superconductor que pierde toda la resistencia eléctrica a temperaturas muy bajas. El recubrimiento llega hasta una pequeña parte que queda en un extremo del cable, que forma una parte crucial de la configuración:el cruce. Luego, todo el artilugio se expone a un campo magnético.
Placa de circuito impreso para montar la muestra de nanocables. Crédito:IST Austria
Las teorías de los científicos predijeron que los modos cero de Majorana, la base del qubit topológico que estaban buscando, deberían aparecer en el nanoalambre. Estos modos cero de Majorana son un fenómeno extraño, porque comenzaron como un truco matemático para describir un electrón en el alambre como compuesto por dos mitades. Generalmente, Los físicos no piensan en los electrones como algo que se pueda dividir, pero usando esta configuración de nanocables debería haber sido posible separar estos "medios electrones" y usarlos como qubits.
"Estábamos entusiasmados de trabajar en esta plataforma de material muy prometedora, "explica Marco Valentini, que se unió a IST Austria como pasante antes de convertirse en Ph.D. estudiante del grupo de Nanoelectrónica. "Lo que esperábamos ver era la señal de los modos cero de Majorana en el nanoalambre, pero no encontramos nada. Primero, estábamos confundidos luego frustrado. Finalmente, y en estrecha colaboración con nuestros compañeros del grupo de Teoría de Materiales Cuánticos y Tecnologías Cuánticas de Estado Sólido de Madrid, examinamos la configuración, y averigüé lo que estaba mal ".
Una bandera falsa
Después de intentar encontrar las firmas de los modos cero de Majorana, los investigadores comenzaron a variar la configuración de los nanocables para comprobar si algún efecto de su arquitectura estaba perturbando su experimento. "Hicimos varios experimentos en diferentes configuraciones para descubrir qué estaba mal, "Explica Valentini." Nos tomó un tiempo, pero cuando duplicamos la longitud de la unión sin recubrimiento de cien nanómetros a doscientos, encontramos a nuestro culpable ".
Marco Valentini trabajando en el laboratorio. Crédito:IST Austria
Cuando la unión fue lo suficientemente grande, sucedió lo siguiente:el nanoalambre interno expuesto formó un llamado punto cuántico, una pequeña partícula de materia que muestra propiedades mecánicas cuánticas especiales debido a su geometría confinada. Los electrones en este punto cuántico podrían interactuar con los del superconductor de revestimiento que se encuentra junto a él, y por eso imitar la señal de los "semielectrones" —los modos cero de Majorana— que buscaban los científicos.
“Esta inesperada conclusión llegó después de que establecimos el modelo teórico de cómo el punto cuántico interactúa con el superconductor en un campo magnético y comparamos los datos experimentales con simulaciones detalladas realizadas por Fernando Peñaranda, un doctorado estudiante en el equipo de Madrid, "dice Valentini.
"Confundir esta señal de imitación con un modo cero de Majorana nos muestra lo cuidadosos que debemos ser en nuestros experimentos y en nuestras conclusiones, "Advierte Valentini." Si bien esto puede parecer un paso atrás en la búsqueda de modos cero de Majorana, en realidad, es un paso adelante crucial en la comprensión de los nanocables y sus señales experimentales. Este hallazgo muestra que el ciclo de descubrimiento y examen crítico entre pares internacionales es fundamental para el avance del conocimiento científico ".
