Los "fermiones pesados" son una forma teórica atractiva de producir fenómenos entrelazados cuánticos, pero hasta hace poco se han observado mayoritariamente en compuestos peligrosamente radiactivos. Un nuevo artículo en Cartas de revisión física ha demostrado que es posible hacer fermiones pesados ​​en grafeno sutilmente modificado, que es mucho más barato y seguro.

Los compuestos de tierras raras han fascinado a los investigadores durante décadas debido a las propiedades cuánticas únicas que muestran. que hasta ahora han permanecido totalmente fuera del alcance de los compuestos cotidianos. Una de las propiedades más notables y exóticas de esos materiales es la aparición de estados superconductores exóticos, y particularmente los estados superconductores necesarios para construir futuras computadoras cuánticas topológicas. Si bien estos compuestos específicos de tierras raras, conocidos como superconductores de fermiones pesados, se conocen desde hace décadas, hacer de ellas tecnologías cuánticas utilizables sigue siendo un desafío críticamente abierto. Esto se debe a que estos materiales contienen compuestos críticamente radiactivos, como el uranio y el plutonio, haciéndolos de uso limitado en tecnologías cuánticas del mundo real.

Una nueva investigación ha revelado una vía alternativa para diseñar los fenómenos fundamentales de estos compuestos de tierras raras únicamente con grafeno. que no tiene ninguno de los problemas de seguridad de los compuestos tradicionales de tierras raras. El emocionante resultado del nuevo artículo muestra cómo se puede producir un estado cuántico conocido como "fermión pesado" mediante la combinación de tres capas de grafeno retorcidas. Un fermión pesado es una partícula, en este caso un electrón, que se comporta como si tuviera mucha más masa de la que realmente tiene. La razón por la que se comporta de esta manera se debe a los efectos cuánticos únicos de muchos cuerpos que, en su mayoría, solo se observaron en compuestos de tierras raras hasta ahora. Se sabe que este comportamiento del fermión pesado es la fuerza impulsora de los fenómenos necesarios para utilizar estos materiales para la computación cuántica topológica. Este nuevo resultado demuestra un nuevo, forma no radiactiva de lograr este efecto utilizando solo carbono, abriendo un camino para la explotación sostenible de la física de fermiones pesados ​​en tecnologías cuánticas.

En el artículo escrito por Aline Ramires, (Instituto Paul Scherrer, Suiza) y Jose Lado (Universidad Aalto), los investigadores muestran cómo es posible crear fermiones pesados ​​con materiales no radiactivos. Para hacer esto, usaron grafeno, que es una capa de carbono de un átomo de espesor. A pesar de ser químicamente idéntico al material que se utiliza en los lápices normales, El grosor subnanométrico del grafeno significa que tiene propiedades eléctricas inesperadamente únicas. Al colocar capas delgadas de carbono una encima de la otra en un patrón específico, donde cada hoja se rota en relación con la otra, los investigadores pueden crear el efecto de propiedades cuánticas que hace que los electrones del grafeno se comporten como fermiones pesados.

"Hasta ahora, las aplicaciones prácticas de los superconductores de fermiones pesados ​​para la computación cuántica topológica no se han perseguido mucho, en parte porque requería compuestos que contenían uranio y plutonio, lejos de ser ideal para aplicaciones debido a su naturaleza radiactiva, "Dice el profesor Lado." En este trabajo mostramos que uno puede apuntar a realizar exactamente la misma física solo con grafeno. Si bien en este trabajo solo mostramos la aparición de un comportamiento de fermiones pesados, abordar el surgimiento de la superconductividad topológica es el siguiente paso natural, lo que potencialmente podría tener un impacto revolucionario para la computación cuántica topológica ".

La superconductividad topológica es un tema de interés crítico para las tecnologías cuánticas, también abordado por estrategias alternativas en otros artículos del Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Aalto, incluido un artículo anterior del profesor Lado. "Estos resultados proporcionan potencialmente una plataforma basada en carbono para la explotación de fenómenos de fermiones pesados ​​en tecnologías cuánticas, sin requerir elementos de tierras raras, "concluye el profesor Lado.