Físicos de la Universidad Rice han descubierto un material cuántico que cambia de fase (y un método para encontrar más similares) que podría usarse para crear una memoria tipo flash capaz de almacenar bits cuánticos de información, o qubits, incluso cuando se alimenta una computadora cuántica. abajo.
Se han utilizado materiales de cambio de fase en memorias digitales no volátiles disponibles comercialmente. En los DVD regrabables, por ejemplo, se utiliza un láser para calentar diminutos trozos de material que se enfrían para formar cristales o grupos amorfos. Se utilizan dos fases del material, que tienen propiedades ópticas muy diferentes, para almacenar los unos y los ceros de bits de información digitales.
En un estudio de acceso abierto publicado recientemente en Nature Communications , el físico de Rice, Ming Yi, y más de tres docenas de coautores de una docena de instituciones demostraron de manera similar que podían usar calor para alternar un cristal de hierro, germanio y telurio entre dos fases electrónicas. En cada uno de ellos, el movimiento restringido de los electrones produce estados cuánticos topológicamente protegidos. En última instancia, almacenar qubits en estados topológicamente protegidos podría reducir potencialmente los errores relacionados con la decoherencia que han plagado la computación cuántica.
"Esto fue completamente una sorpresa", dijo Yi sobre el descubrimiento. "Al principio estábamos interesados en este material debido a sus propiedades magnéticas. Pero luego realizábamos una medición y veíamos esta fase, y luego, en otra medición, veíamos la otra. Nominalmente era el mismo material, pero los resultados fueron muy diferente."
Fueron necesarios más de dos años y trabajo colaborativo con decenas de colegas para descifrar lo que sucedía en los experimentos. Los investigadores descubrieron que algunas de las muestras de cristal se habían enfriado más rápido que otras cuando se calentaron antes de los experimentos.
A diferencia de los materiales utilizados en la mayoría de las tecnologías de memoria de cambio de fase, Yi y sus colegas descubrieron que no era necesario fundir ni recristalizar la aleación de hierro, germanio y telurio para cambiar de fase. Más bien, descubrieron que los sitios atómicos vacíos en la red del cristal, conocidos como vacantes, estaban dispuestos en patrones ordenados diferentes dependiendo de la rapidez con la que se enfriaba el cristal. Para pasar de una fase modelada a otra, demostraron que podían simplemente recalentar el cristal y enfriarlo durante un período de tiempo más largo o más corto.
"Si quieres cambiar el orden de las vacantes en un material, eso normalmente ocurre a temperaturas mucho más bajas de las que necesitarías para fundir todo", dijo Yi.
Dijo que pocos estudios han explorado cómo cambian las propiedades topológicas de los materiales cuánticos en respuesta a cambios en el orden de las vacantes.
"Ese es el hallazgo clave", dijo sobre el orden de vacante intercambiable del material. "La idea de utilizar el orden de vacantes para controlar la topología es lo importante. Eso simplemente no se ha explorado realmente. La gente generalmente sólo ha estado mirando los materiales desde una perspectiva totalmente estequiométrica, lo que significa que todo está ocupado con un conjunto fijo de simetrías que conducen a un tipo de topología electrónica. Los cambios en el orden de las vacantes cambian la simetría de la red. Este trabajo muestra cómo eso puede cambiar la topología electrónica. Y parece probable que el orden de las vacantes también pueda usarse para inducir cambios topológicos.>
El físico teórico de Rice, Qimiao Si, coautor del estudio, dijo:"Me parece sorprendente que mis colegas experimentales puedan organizar un cambio de simetría cristalina sobre la marcha. Permite una capacidad de cambio completamente inesperada y, sin embargo, totalmente acogedora para la teoría como así como buscamos diseñar y controlar nuevas formas de topología a través de la cooperación de fuertes correlaciones y simetría de grupos espaciales."
Los autores principales del estudio son Han Wu y Lei Chen, ambos de Rice. Otros coautores de Rice incluyen a Jianwei Huang, Xiaokun Teng, Yucheng Guo, Mason Klemm, Chuqiao Shi, Chandan Setty, Yaofeng Xie, Bin Gao, Junichiro Kono, Pengcheng Dai, Yimo Han y Si. Yi, Dai, Han, Kono y Si son miembros de la Rice Quantum Initiative y del Rice Center for Quantum Materials.
El estudio fue coautor de investigadores de la Universidad de Washington, el Laboratorio Nacional de Los Álamos, la Universidad Kyung Hee de Corea del Sur, la Universidad de Pensilvania, la Universidad de Yale, la Universidad de California Davis, la Universidad de Cornell, la Universidad de California Berkeley, la Universidad de Stanford Laboratorio Nacional del Acelerador del Centro de Aceleradores Lineales, Laboratorio Nacional Brookhaven y Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
Más información: Han Wu et al, Conmutación electrónica no volátil reversible en un ferroimán de van der Waals a temperatura cercana a la ambiente, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46862-z
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Universidad Rice
