Cables muy delgados hechos de un aislante topológico podrían habilitar qubits altamente estables, los componentes básicos de las futuras computadoras cuánticas. Los científicos ven un nuevo resultado en dispositivos aislantes topológicos como un paso importante hacia la realización del potencial de la tecnología.

Un grupo internacional de científicos ha demostrado que los cables más de 100 veces más delgados que un cabello humano pueden actuar como una calle cuántica de un solo sentido para los electrones cuando están hechos de un material peculiar conocido como aislante topológico.

El descubrimiento abre el camino para nuevas aplicaciones tecnológicas de dispositivos fabricados con aisladores topológicos y demuestra un paso significativo en el camino hacia el logro de los llamados qubits topológicos, que se ha predicho que pueden codificar información de manera sólida para una computadora cuántica.

Para lograr este resultado, los grupos de la profesora Dra. Jelena Klinovaja y el profesor Dr. Daniel Loss de la Universidad de Basilea colaboraron estrechamente con físicos experimentales de la Universidad de Colonia en el grupo del profesor Dr. Yoichi Ando. Su estudio ahora ha sido publicado en Nature Nanotechnology .

Los aisladores topológicos son materiales en los que una combinación de mecánica cuántica y el concepto matemático de topología producen superficies conductoras e interiores aislantes. Los aisladores topológicos son candidatos muy prometedores para tecnologías futuras y como plataformas potenciales para la computación cuántica.

Los investigadores pudieron demostrar que, en las circunstancias adecuadas, las corrientes eléctricas pueden fluir más fácilmente en una dirección que en la otra, un proceso conocido como rectificación. La rectificación ofrece una amplia gama de aplicaciones y constituye la base de la mayoría de las tecnologías inalámbricas.

Los rectificadores que se encuentran en los teléfonos inteligentes, por ejemplo, ahora están hechos de diodos semiconductores. Sin embargo, el efecto de rectificación actual descubierto en los nanocables aislantes topológicos surge como resultado de la mecánica cuántica y es extremadamente controlable.

Por lo general, los efectos de rectificación cuántica surgen como resultado de algo conocido como acoplamiento espín-órbita, que es una mezcla de mecánica cuántica y la teoría de la relatividad de Einstein. Como era de esperar, esa extraña mezcla normalmente da como resultado pequeños efectos de rectificación.

"Lo bueno de los nanocables aislantes topológicos es que podemos producir artificialmente esencialmente la misma física pero con una magnitud mucho mayor", dice el Dr. Henry Legg, becario postdoctoral Georg H. Endress en la Universidad de Basilea y primer autor del artículo. "Esto conduce a un efecto de rectificación que es realmente enorme en comparación con otros materiales. También es uno de los aspectos que hace que los aisladores topológicos sean tan emocionantes para aplicaciones en computación cuántica".

Más allá de la ley de Ohm

La ley de Ohm establece que la corriente que fluye a través de un dispositivo se rige por la caída de voltaje a través de él y una cantidad conocida como resistencia. Sin embargo, cuando la mecánica cuántica está en juego, a veces es necesario corregir la ley de Ohm.

En particular, si un material o dispositivo no se ve igual cuando se reflejan todas sus propiedades espaciales (la llamada simetría de inversión espacial rota), la aplicación de un campo magnético significa que la versión cuántica de la ley de Ohm permite que la corriente fluya más fácilmente en una dirección. comparado con el otro. El tamaño de la rectificación actual está determinado por la diferencia entre las resistencias en cada dirección.

El alto grado de control posible en los dispositivos aislantes topológicos permitió al equipo de investigadores lograr un efecto de rectificación verdaderamente gigantesco en comparación con lo que se había observado anteriormente.

Información cuántica robusta

Las computadoras cuánticas prometen una potencia informática sin precedentes, pero son muy susceptibles a la influencia del entorno externo. Una solución propuesta a la fragilidad de las unidades cuánticas de información, los llamados qubits, son los qubits topológicos, que se predice que serán mucho más estables frente a las influencias del entorno externo. Esta protección también surge como resultado de las matemáticas de topología que subyacen a las propiedades de los aisladores topológicos.

Los aisladores topológicos se han considerado durante mucho tiempo como buenos candidatos para ser la base de las computadoras cuánticas topológicas. Sin embargo, un buen control sobre los dispositivos aislantes topológicos es esencial para poder producir qubits topológicos.

"Nuestro estudio no solo descubrió un efecto cuántico único y muy grande, sino que también muestra que tenemos un excelente grado de comprensión de lo que sucede en estos sistemas. Parece que todas las propiedades clave de los aisladores topológicos están ahí para avanzar en el camino para hacer qubits topológicos", dice la profesora Dra. Jelena Klinovaja de la Universidad de Basilea. + Explora más

Primer bit cuántico híbrido basado en aisladores topológicos