En el reino cuántico los electrones pueden agruparse para comportarse de formas interesantes. El magnetismo es uno de estos comportamientos que vemos en nuestro día a día, como es el fenómeno más raro de la superconductividad. Curiosamente, estos dos comportamientos son a menudo antagonistas, lo que significa que la existencia de uno de ellos a menudo destruye al otro. Sin embargo, si estos dos estados cuánticos opuestos se ven obligados a coexistir artificialmente, aparece un estado esquivo llamado superconductor topológico, lo cual es emocionante para los investigadores que intentan hacer qubits topológicos.

Los qubits topológicos son emocionantes como una de las tecnologías potenciales para las futuras computadoras cuánticas. En particular, Los qubits topológicos proporcionan la base para la computación cuántica topológica, lo cual es atractivo porque es mucho menos sensible a la interferencia de su entorno al perturbar las mediciones. Sin embargo, El diseño y control de qubits topológicos sigue siendo un problema críticamente abierto, en última instancia, debido a la dificultad de encontrar materiales capaces de albergar estos estados, como los superconductores topológicos.

Para superar la elusividad de los superconductores topológicos, que son muy difíciles de encontrar en materiales naturales, Los físicos han desarrollado metodologías para diseñar estos estados combinando materiales comunes. Los ingredientes básicos para diseñar superconductores topológicos (magnetismo y superconductividad) a menudo requieren la combinación de materiales dramáticamente diferentes. Y lo que es más, La creación de un material superconductor topológico requiere poder ajustar con precisión el magnetismo y la superconductividad, por lo que los investigadores tienen que demostrar que su material puede ser magnético y superconductor al mismo tiempo, y que pueden controlar ambas propiedades. En su búsqueda de tal material, los investigadores han recurrido al grafeno.

El grafeno, una sola capa de átomos de carbono, representa un material común y altamente controlable y se ha planteado como uno de los materiales críticos para las tecnologías cuánticas. Sin embargo, la coexistencia del magnetismo y la superconductividad ha permanecido esquiva en el grafeno, a pesar de los esfuerzos experimentales de larga data que demostraron la existencia de estos dos estados de forma independiente. Esta limitación fundamental representa un obstáculo crítico para el desarrollo de la superconductividad topológica artificial en el grafeno.

En un experimento revolucionario reciente, investigadores de la UAM en España, CNRS en Francia, e INL en Portugal, junto con el apoyo teórico del Prof. Jose Lado de la Universidad Aalto, han demostrado un paso inicial en el camino hacia los qubits topológicos en el grafeno. Los investigadores demostraron que las capas individuales de grafeno pueden albergar magnetismo y superconductividad simultáneos, midiendo las excitaciones cuánticas exclusivas de esta interacción. Este descubrimiento revolucionario se logró mediante la combinación del magnetismo de los dominios cristalinos en el grafeno, y la superconductividad de islas metálicas depositadas.

"Este experimento muestra que dos órdenes cuánticos paradigmáticos clave, superconductividad, y magnetismo, puede coexistir simultáneamente en el grafeno, "dijo el profesor José Lado, "Por último, este experimento demuestra que el grafeno puede albergar simultáneamente los ingredientes necesarios para la superconductividad topológica. Si bien en el experimento actual aún no hemos observado superconductividad topológica, sobre la base de este experimento, podemos potencialmente abrir un nuevo camino hacia qubits topológicos basados ​​en carbono ".

Los investigadores indujeron la superconductividad en el grafeno al depositar una isla de un superconductor convencional cerca de los límites de los granos. formando naturalmente costuras en el grafeno que tienen propiedades magnéticas ligeramente diferentes al resto del material. Se demostró que la superconductividad y el magnetismo de los límites del grano dan lugar a los estados de Yu-Shiba-Rusinov, que solo puede existir en un material cuando el magnetismo y la superconductividad coexisten juntos. Los fenómenos que el equipo observó en el experimento coincidieron con el modelo teórico desarrollado por el profesor Lado, mostrando que los investigadores pueden controlar completamente los fenómenos cuánticos en su sistema híbrido de diseño.

La demostración de los estados de Yu-Shiba-Rusinov en grafeno es el primer paso hacia el desarrollo definitivo de qubits topológicos basados ​​en grafeno. En particular, controlando cuidadosamente los estados de Yu-Shiba-Rusinov, Se pueden crear superconductividad topológica y estados de Majorana. Los qubits topológicos basados ​​en estados de Majorana pueden potencialmente superar drásticamente las limitaciones de los qubits actuales, protegiendo la información cuántica mediante la explotación de la naturaleza de estos estados no convencionales. La aparición de estos estados requiere un control meticuloso de los parámetros del sistema. El experimento actual establece el punto de partida crítico hacia este objetivo, que se puede construir para abrir un camino disruptivo hacia las computadoras cuánticas topológicas basadas en carbono.