Las computadoras cuánticas procesan información utilizando bits cuánticos, o qubits, basados en estados mecánicos cuánticos frágiles y de corta duración. Para hacer que los qubits sean potentes y personalizarlos para aplicaciones, investigadores del Departamento de Energía Laboratorio Nacional de Oak Ridge Buscó crear un nuevo orden material.
«Estamos siguiendo un nuevo camino para crear computadoras cuánticas utilizando nuevos materiales», dijo Robert Moore, científico de materiales del ORNL que codirigió el equipo de investigación. Estudio publicado en Materiales avanzados con el colega de ORNL Matthew Bralick, también científico de materiales.
Combinaron un superconductor, que no ofrece resistencia a la corriente eléctrica, con un aislante topológico, que tiene superficies conductoras de electricidad pero un interior aislante. El resultado es una interfaz atómicamente nítida entre películas delgadas cristalinas con diferentes disposiciones simétricas de átomos. La nueva interfaz que diseñaron y diseñaron puede dar lugar a una física exótica y albergar un bloque de construcción cuántico único con el potencial de ser un qubit superior.
«La idea es fabricar qubits con materiales que tengan propiedades mecánicas cuánticas más fuertes», dijo Moore. «Lo importante es que hemos aprendido cómo controlar la estructura electrónica del aislante topológico y el superconductor de forma independiente, de modo que podemos diseñar la estructura electrónica en esa interfaz. Esto nunca se ha hecho».
Controlar la estructura electrónica en ambos lados de la interfaz puede crear las llamadas partículas de Majorana dentro del material. «En la naturaleza tenemos partículas y antipartículas, por ejemplo electrones y positrones, que se aniquilan entre sí cuando entran en contacto. La partícula de Majorana es su propia antipartícula», dijo Moore. En 1937, Ettore Majorana predijo la existencia de estas exóticas partículas, cuya existencia aún debe ser demostrada.
En 2008, los físicos teóricos Liang Fu y Charlie Kane de la Universidad de Pensilvania propusieron que la creación de una nueva interfaz entre un aislante topológico y un superconductor generaría superconductividad topológica, una nueva fase de la materia que, según se predijo, albergaría partículas de Majorana.
«Si tuvieras un par de partículas de Majorana y las movieras una alrededor de la otra, habría una memoria de ese movimiento. Siempre conocen la ubicación de cada una», dijo Moore. «Este proceso podría usarse para codificar información cuántica y calcularla en nuevas formas.»
Sin embargo, lograr una nueva fase de la materia que pueda albergar partículas de Majorana depende de encontrar el material adecuado. Un logro así requiere un equipo diverso de expertos.
Cuando Moore llegó a ORNL en 2019, trajo consigo nueva experiencia en espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo, o ARPES, una técnica para sondear la estructura electrónica de materiales. ARPES se basa en el efecto fotoeléctrico, por el que Albert Einstein ganó el Premio Nobel de Física en 1921. Enfoca una fuente de luz sobre una muestra y caracteriza los electrones emitidos desde la superficie del material cuando los electrones absorben energía de los fotones. Esta técnica ayuda a los científicos a comprender cómo se comportan los electrones dentro de la materia.
Esta inversión estratégica en la experiencia de ARPES ayudó a ORNL a ganar su oferta para liderar uno de los cinco centros nacionales de investigación de ciencias de la información cuántica del Departamento de Energía. Centro de Ciencias Cuánticas, que se lanzó en 2020. El QSC, dirigido por Travis Humble de ORNL, tiene como objetivo realizar aplicaciones de detección y computación cuántica mediante el desarrollo de dispositivos y algoritmos y el descubrimiento de nuevos materiales. Moore y sus colegas se están centrando en materiales topológicos para desarrollar dispositivos. Desde abril, Moore también ha participado en la gestión de ORNL. Ecosistema científico interconectadoO la intersección con Ben Mintz Development Laboratorios futuros —Procesos y experimentos inteligentes, controlados de forma autónoma, con potencial para revolucionar los resultados de la investigación.
Brahlek, quien se unió a ORNL en 2018 y Recientemente recibió el premio DOE Early Career Research Award.Es un experto en la síntesis precisa de materiales. Para crear interfaces ultralimpias entre un superconductor y un aislante topológico, utilizó empalmes de haces moleculares, un método utilizado por la industria para fabricar semiconductores a gran escala para dispositivos electrónicos.
Con la ayuda del ex becario postdoctoral Tyler Smith, Prahlik realizó la síntesis en vacío ultraalto. «Dentro de la cámara hay menos partículas rebotando en el espacio exterior. Es un entorno realmente limpio. Tiene que estar bien controlado», dijo Bralic. «Se empieza con hornos pequeños, cada uno de los cuales contiene un elemento. Cada horno se calienta hasta que el elemento interior comienza a sublimarse o pasa de un estado sólido a uno de vapor. Esto crea paquetes de artículos. «Todos convergen en un sustrato de cristal y se pegan».
Co-depositó hierro, selenio y telurio para formar un superconductor de una capa atómica de espesor. «Si se pueden conseguir las condiciones adecuadas, los átomos depositados se unirán y ensamblarán químicamente, capa atómica tras capa atómica, para formar una fina capa cristalina», dijo Bralic.
«La clave para obtener los resultados fue comprender cómo combinar telururo de bismuto y telururo de seleniuro de hierro en una interfaz atómica para obtener el comportamiento electrónico deseado», dijo Bralic.
Esta fue una hazaña difícil; Porque la red superconductora de hierro, selenio y telurio incluye células cuadradas dispuestas, mientras que el aislante topológico es una red de triángulos adyacentes. «Ponemos algo cuadrado sobre algo triangular, pero sorprendentemente la película cristalina crece bien», dijo Bralic. «Este avance requiere comprender la física y la química que ocurren en estas interfaces, lo cual es fundamental para combinar propiedades topológicas y superconductividad en una sola plataforma».
Esa plataforma es el superconductor topológico. Para comprender sus propiedades topológicas, Moore utilizó la técnica de espín-espín ARPES, con la ayuda del becario postdoctoral de ORNL Qiang-Sheng Lu, para explorar la estructura electrónica cuántica dependiente del espín en la interfaz de un aislante topológico y un superconductor. Mientras tanto, para confirmar su comportamiento superconductor, Bralik y sus antiguos colegas del ORNL, Yun-Yi Bai y Michael Chilcot, ayudaron con mediciones de resistencia eléctrica.
«Pudimos ver cómo interactuaban las diferentes estructuras electrónicas en la interfaz y pudimos controlar esas interacciones para asegurarnos de que todos los componentes de la superconductividad topológica estuvieran presentes», dijo Moore. «Descubrimos que las propiedades topológicas deseadas sólo están presentes en bandas específicas de dopaje de selenio. Esta fue una sorpresa crucial en la fabricación de qubits».
Mientras tanto, Huyun Jeon y An-Ping Li del Centro de Ciencia de Nanomateriales de ORNL utilizaron microscopía de efecto túnel para caracterizar el desorden en los materiales. Los científicos del equipo ORNL, Hu Miao y Satoshi Okamoto, brindaron orientación experimental y teórica durante todo el estudio.
Aún quedan desafíos críticos. «Necesitamos mejorar y comprender mejor los materiales a nivel atómico, lo cual es fundamental para confirmar y utilizar partículas de Majorana para aplicaciones», dijo Moore. «El siguiente paso será explorar posibles partículas de Majorana utilizando un instrumento de microscopio de efecto túnel de barrido de temperatura ultrabaja recién instalado en el CNMS».
Y añadió: «Lograr un qubit basado en partículas de Majorana es uno de los objetivos finales del Centro de Ciencias Cuánticas. Las partículas de Majorana en los materiales son un estado exótico. Para demostrar su existencia será necesario construir y probar un dispositivo similar a un qubit. Es un extraño manera de pensarlo, pero hay que crear un qubit para demostrar que es un qubit». Ahora sabemos cómo controlar los materiales al nivel necesario para lograrlo.
El título del artículo es “Superconductividad de una sola capa y estructura electrónica topológica sintonizable en Fe (Te, Se) / Bi2t3 interfaz de usuario.»
La financiación para el trabajo provino de la Oficina de Ciencias del DOE, a través de QSC, el Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica del DOE y la División de Ingeniería y Ciencia de Materiales, junto con la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación del Ejército y la Fundación Gordon y Betty Moore. . La investigación utilizó recursos en CNMS, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL.
UT-Battelle administra ORNL para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, el mayor patrocinador de investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite el sitio web. power.gov/ciencia.
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