Una micrografía electrónica de barrido de visión inclinada tomada de uno de los dispositivos de nanocables de Majorana utilizados en el estudio. El nanoalambre se muestra en falso color en azul, que está parcialmente cubierto por el superconductor NbTiN que se muestra en púrpura. Los contactos amarillos son contactos metálicos que se pueden usar para aplicar un voltaje al dispositivo y medir las propiedades superconductoras a través de la conductividad del dispositivo. Crédito:Bommer et al.
Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft han llevado a cabo recientemente un estudio que investiga la interacción espín-órbita en nanocables Majorana. Su estudio, publicado en Cartas de revisión física , es el primero en mostrar claramente el mecanismo que permite la creación de la escurridiza partícula de Majorana, que podría convertirse en el componente básico de un tipo de computadora cuántica más estable.
"Nuestra investigación tiene como objetivo la verificación experimental del modo cero de Majorana propuesto teóricamente, "Jouri Bommer, uno de los investigadores que realizó el estudio, le dijo a Phys.org por correo electrónico. "Esta partícula, que es su propia antipartícula, es de especial interés, porque se predice que será útil para desarrollar una computadora cuántica topológica ".
La computación cuántica es un área prometedora de la informática que explora el uso de fenómenos mecánicos cuánticos y estados cuánticos para almacenar información y resolver problemas computacionales. En el futuro, las computadoras cuánticas podrían abordar problemas que los métodos informáticos tradicionales no pueden resolver, por ejemplo, posibilitando el diseño computacional y determinista de nuevos fármacos y moléculas.
Aunque estas computadoras podrían tener ventajas notables, la mayoría de los enfoques de la computación cuántica adolecen de una sensibilidad al ruido que se conoce como "decoherencia". Por lo tanto, los investigadores han desarrollado un nuevo tipo de computadora cuántica que se basa en partículas de Majorana, que están inherentemente protegidos del ruido. Esta protección "topológica" requiere superconductividad, un fenómeno que permite una corriente eléctrica sin disipación.
"Al codificar la información cuántica en la propiedad topológica de los modos cero de Majorana, el error / problema de decoherencia se puede resolver desde el nivel fundamental del dispositivo, "Bommer explicó." Este novedoso sistema está inherentemente protegido del ruido, un problema que afecta a los enfoques alternativos a la computación cuántica. La protección topológica contra el ruido se parece mucho a almacenar información como un nudo en una cuerda:sacudiendo ligeramente la cuerda, el nudo no se deshará ".
La creación de Majoranas se basa en un campo magnético, que es generalmente incompatible con la superconductividad; un requisito definido de Majoranas. Una solución para superar esta limitación es aprovechar la interacción del movimiento de los electrones con sus imanes internos, "un fenómeno conocido como interacción espín-órbita. En presencia de esta interacción, un material no siente el campo magnético requerido por Majoranas con tanta fuerza, permitiendo así la superconductividad.
"Investigaciones anteriores han mostrado firmas que apoyan la existencia de modos cero de Majorana, Aunque hasta el día de hoy ha habido un debate considerable sobre si estas firmas experimentales pueden ser imitadas por otros fenómenos físicos, "Bommer explicó." En nuestra publicación reciente, adoptamos un enfoque diferente e investigamos las condiciones previas para crear un modo cero de Majorana. Para crear una Majorana, Necesitamos un nanocable semiconductor que intrínsecamente tenga interacción espín-órbita, que acoplamos a un material superconductor para hacer que la superconductividad 'se filtre' en el nanoalambre semiconductor ".
Hasta aquí, la mayoría de los estudios asumieron la presencia de una interacción espín-órbita en experimentos que mostraron evidencia de modos Majorana. Sin embargo, nadie había estudiado aún el efecto de esta interacción en cables Majorana superconductores y semiconductores, que es crucial para crear estos modos.
"En nuestro estudio, revelamos este efecto y medimos directamente esta interacción espín-órbita y su fuerza, "Logramos esto mediante el estudio del efecto de los campos magnéticos en varias direcciones diferentes sobre la superconductividad", dijo Bommer.
Típicamente, Los campos magnéticos suprimen la superconductividad al cerrar la brecha de energía superconductora. La interacción espín-órbita contrarresta esta supresión cuando el campo magnético apunta en direcciones específicas. En su experimento de transporte de electrones, por lo tanto, los investigadores necesitaban un campo magnético más fuerte para cerrar esta brecha.
Realizando cálculos teóricos y comparándolos con sus datos experimentales, Bommer y sus colegas pudieron estimar la fuerza de la interacción espín-órbita. Este parámetro muy importante era previamente desconocido en sistemas para aplicaciones de computación cuántica topológica.
"Nuestras observaciones muestran que la interacción espín-órbita, uno de los ingredientes esenciales para crear modos Majorana, está presente en el sistema y, por lo tanto, admite las firmas de modos Majorana que se han observado previamente, "Bommer explicó." Además, la física observada mediante la cual la interacción espín-órbita protege la superconductividad es precisamente la física responsable en última instancia de la resistencia esperada al ruido (es decir, la protección topológica) que se espera de una computadora cuántica topológica ".
El estudio realizado por Bommer y sus colegas muestra que la superconductividad y la interacción espín-órbita pueden estar presentes simultáneamente, revelando los mecanismos por los cuales la interacción espín-órbita protege la superconductividad en los nanocables de Majorana. Sus observaciones muestran que las implementaciones más avanzadas de este sistema de materiales también deberían beneficiarse de la protección de la órbita de espín de la información cuántica y que la fuerza estimada de la órbita de espín proporciona una entrada importante para el diseño de circuitos de computación cuántica.
Los investigadores ahora están planeando más investigaciones destinadas a encontrar nuevas firmas experimentales para los modos cero de Majorana utilizando sistemas de materiales mejorados. Por ejemplo, han cambiado el superconductor NbTiN a una fina capa de aluminio, que proporciona una superconductividad mucho mejor.
"También estamos buscando observar las partículas de Majorana en ambos extremos del cable simultáneamente, que es un fuerte argumento para reclamar la observación de los verdaderos modos de Majorana, ", Dijo Bommer." Estas mejoras en las que estamos trabajando también son necesarias para realizar nuestra ambición de crear una computadora cuántica que utilice partículas de Majorana como sus componentes básicos. Estos experimentos del futuro cercano no sólo servirán como pasos intermedios hacia un qubit topológico, sino que también mostrarán la física de Majorana en un aspecto más fundamental ".
© 2019 Science X Network
