Una nueva fusión de materiales, cada uno con propiedades eléctricas especiales, tiene todos los componentes necesarios para un tipo único de superconductividad que podría proporcionar la base para una computación cuántica más robusta. La nueva combinación de materiales, creada por un equipo dirigido por investigadores de Penn State, también podría proporcionar una plataforma para explorar comportamientos físicos similares a los de misteriosas partículas teóricas conocidas como Majoranas quirales, que podrían ser otro componente prometedor para la computación cuántica. /P>
El nuevo estudio aparece en la revista Science . El trabajo describe cómo los investigadores combinaron los dos materiales magnéticos en lo que llamaron un paso crítico hacia la realización de la superconductividad interfacial emergente, en la que están trabajando actualmente.
Los superconductores (materiales sin resistencia eléctrica) se utilizan ampliamente en circuitos digitales, los potentes imanes de las imágenes por resonancia magnética (MRI) y los aceleradores de partículas, y otras tecnologías en las que maximizar el flujo de electricidad es crucial.
Cuando los superconductores se combinan con materiales llamados aislantes topológicos magnéticos (películas delgadas de sólo unos pocos átomos de espesor que se han vuelto magnéticas y restringen el movimiento de los electrones a sus bordes), las nuevas propiedades eléctricas de cada componente trabajan juntas para producir "superconductores topológicos quirales".
La topología, o geometrías y simetrías especializadas de la materia, genera fenómenos eléctricos únicos en el superconductor, que podrían facilitar la construcción de computadoras cuánticas topológicas.
Las computadoras cuánticas tienen el potencial de realizar cálculos complejos en una fracción del tiempo que tardan las computadoras tradicionales porque, a diferencia de las computadoras tradicionales que almacenan datos como uno o cero, los bits cuánticos de las computadoras cuánticas almacenan datos simultáneamente en una variedad de estados posibles.
Las computadoras cuánticas topológicas mejoran aún más la computación cuántica al aprovechar cómo se organizan las propiedades eléctricas para hacer que las computadoras sean resistentes a la decoherencia, o la pérdida de información que ocurre cuando un sistema cuántico no está perfectamente aislado.
"La creación de superconductores topológicos quirales es un paso importante hacia la computación cuántica topológica que podría ampliarse para un uso amplio", dijo Cui-Zu Chang, profesor de carrera temprana Henry W. Knerr y profesor asociado de física en Penn State y coautor correspondiente de el papel.
"La superconductividad topológica quiral requiere tres ingredientes:superconductividad, ferromagnetismo y una propiedad llamada orden topológico. En este estudio, produjimos un sistema con estas tres propiedades".
Los investigadores utilizaron una técnica llamada epitaxia de haz molecular para apilar un aislante topológico que se ha vuelto magnético y un calcogenuro de hierro (FeTe), un metal de transición prometedor para aprovechar la superconductividad. El aislante topológico es un ferroimán, un tipo de imán cuyos electrones giran de la misma manera, mientras que el FeTe es un antiferroimán, cuyos electrones giran en direcciones alternas.
Los investigadores utilizaron una variedad de técnicas de imágenes y otros métodos para caracterizar la estructura y las propiedades eléctricas del material combinado resultante y confirmaron la presencia de los tres componentes críticos de la superconductividad topológica quiral en la interfaz entre los materiales.
El trabajo anterior en este campo se ha centrado en combinar superconductores y aislantes topológicos no magnéticos. Según los investigadores, añadir el ferroimán ha sido especialmente complicado.
"Normalmente, la superconductividad y el ferromagnetismo compiten entre sí, por lo que es raro encontrar una superconductividad robusta en un sistema de material ferromagnético", afirmó Chao-Xing Liu, profesor de física en Penn State y coautor correspondiente del artículo.
"Pero la superconductividad de este sistema es realmente muy resistente al ferromagnetismo. Se necesitaría un campo magnético muy fuerte para eliminar la superconductividad."
El equipo de investigación todavía está explorando por qué coexisten la superconductividad y el ferromagnetismo en este sistema.
"En realidad, es bastante interesante porque tenemos dos materiales magnéticos que no son superconductores, pero los juntamos y la interfaz entre estos dos compuestos produce una superconductividad muy robusta", dijo Chang.
"El calcogenuro de hierro es antiferromagnético y anticipamos que su propiedad antiferromagnética se debilita alrededor de la interfaz para dar lugar a la superconductividad emergente, pero necesitamos más experimentos y trabajo teórico para verificar si esto es cierto y aclarar el mecanismo superconductor".
Los investigadores dijeron que creen que este sistema será útil en la búsqueda de sistemas materiales que exhiban comportamientos similares a las partículas de Majorana, partículas subatómicas teóricas planteadas por primera vez como hipótesis en 1937. Las partículas de Majorana actúan como su propia antipartícula, una propiedad única que potencialmente podría permitirles ser utilizados como bits cuánticos en computadoras cuánticas.
"Proporcionar evidencia experimental de la existencia de Majorana quiral será un paso crítico en la creación de una computadora cuántica topológica", dijo Chang. "Nuestro campo ha tenido un pasado difícil en el intento de encontrar estas partículas esquivas, pero creemos que ésta es una plataforma prometedora para explorar la física de Majorana".
Más información: Hemian Yi et al, Superconductividad inducida por interfaz en aisladores topológicos magnéticos, Ciencia (2024). DOI:10.1126/science.adk1270. www.science.org/doi/10.1126/science.adk1270
Información de la revista: Ciencia
Proporcionado por la Universidad Estatal de Pensilvania
