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La combinación de materiales puede respaldar una superconductividad única para la computación cuántica

La combinación de materiales puede respaldar una superconductividad única para la computación cuántica


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Una nueva mezcla de materiales, cada uno con propiedades eléctricas especiales, contiene todos los ingredientes necesarios para un tipo único de superconductividad que podría proporcionar la base para una computación cuántica más potente. La nueva combinación de materiales, creada por un equipo dirigido por investigadores de Penn State, también podría proporcionar una plataforma para explorar comportamientos físicos similares a los de misteriosas partículas teóricas conocidas como quirales de Majorana, que podrían ser otro elemento prometedor para la computación cuántica.

El nuevo estudio apareció en línea hoy (8 de febrero) en la revista Ciencias. El trabajo describe cómo los investigadores combinaron los dos materiales magnéticos en lo que describen como un paso crucial hacia el logro de la superconductividad interfacial emergente, en la que están trabajando actualmente.

Los superconductores (materiales que no tienen resistencia eléctrica) se utilizan ampliamente en circuitos digitales, imanes potentes en imágenes por resonancia magnética (MRI) y aceleradores de partículas, y otras tecnologías en las que maximizar el flujo de electricidad es crucial. Cuando los superconductores se combinan con materiales llamados aislantes topológicos magnéticos (películas delgadas de sólo unos pocos átomos de espesor que se han vuelto magnéticas y restringen el movimiento de los electrones a sus bordes), las nuevas propiedades eléctricas de cada componente trabajan juntas para producir «superconductores topológicos quirales». La topología, o las geometrías y simetrías especializadas de la materia, genera fenómenos eléctricos únicos en el superconductor, que pueden facilitar la construcción de computadoras cuánticas topológicas.

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Las computadoras cuánticas tienen la capacidad de realizar cálculos complejos en una fracción del tiempo que tardan las computadoras clásicas, porque a diferencia de las computadoras clásicas que almacenan datos como uno o cero, los qubits de las computadoras cuánticas almacenan datos simultáneamente en una variedad de estados posibles. Las computadoras cuánticas topológicas mejoran la computación cuántica al aprovechar cómo se organizan las propiedades eléctricas para hacer que las computadoras sean resistentes a la decoherencia, o la pérdida de información que ocurre cuando un sistema cuántico no está completamente aislado.

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«La creación de superconductores topológicos quirales es un paso importante hacia la computación cuántica topológica que puede ampliarse para su uso generalizado», dijo. Cui Zu Chang, Henry W. Knerr, profesor de carrera temprana y profesor asociado de física en Penn State y coautor de este artículo. «La superconductividad topológica quiral requiere tres componentes: superconductividad, ferromagnetismo y una propiedad llamada orden topológico. En este estudio, hemos producido un sistema que contiene estas tres propiedades».

Los investigadores utilizaron una técnica llamada espectroscopia de haz molecular para ensamblar un aislante topológico sintetizado magnéticamente y calcogenuro de hierro (FeTe), un metal de transición prometedor para aprovechar la superconductividad. Un aislante topológico es un ferroimán (un tipo de imán cuyos electrones giran de la misma manera), mientras que el FeTe es un antiimán, cuyos electrones giran en direcciones alternas. Los investigadores utilizaron una variedad de técnicas de imágenes y otros métodos para caracterizar la estructura y las propiedades eléctricas del material agregado resultante y confirmaron la presencia de los tres componentes críticos de la superconductividad topológica quiral en la interfaz entre los materiales.

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El trabajo anterior en esta área se ha centrado en combinar superconductores con aislantes topológicos no magnéticos. Según los investigadores, añadir ferromagnetos fue especialmente complicado.

«Normalmente, la superconductividad y el ferromagnetismo compiten entre sí, por lo que es raro encontrar una superconductividad fuerte en un sistema de material ferromagnético», dijo. Zhao Xing Liu, profesor de física en Penn State y coautor de este artículo. «Pero la superconductividad en este sistema es en realidad muy fuerte contra el ferromagnetismo. Se necesitaría un campo magnético muy fuerte para eliminar la superconductividad.

El equipo de investigación todavía está explorando por qué coexisten en este sistema la superconductividad y el ferromagnetismo.

«En realidad, es muy interesante porque tenemos dos materiales magnéticos que no son conductores, pero los juntamos y la interfaz entre estos dos compuestos produce una superconductividad muy fuerte», dijo Zhang. «El calcogenuro de hierro es antiferromagnético y esperamos que sus propiedades antiferromagnéticas se debiliten alrededor de la interfaz para dar lugar a la superconductividad emergente, pero necesitamos más experimentos y trabajo teórico para validar esto y dilucidar el mecanismo de la superconductividad».

Los investigadores dijeron que creen que este sistema será útil en la búsqueda de sistemas materiales que muestren comportamientos similares a las partículas de Majorana, partículas subatómicas teóricas que se plantearon por primera vez como hipótesis en 1937. Las partículas de Majorana actúan como su propia antipartícula, una propiedad única que podría permitirles existir . Los qubits cuánticos se utilizan en computadoras cuánticas.

«Proporcionar pruebas experimentales de la existencia de Majorana descentralizada será un paso crucial en la creación de una computadora cuántica topológica», dijo Zhang. «Nuestro campo ha tenido un pasado difícil al intentar encontrar estas partículas esquivas, pero creemos que esto representa una plataforma prometedora para explorar la física de Majorana».

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referencia: Yi H, Zhao YF, Chan YT, et al. Superconductividad inducida por interfaz en aisladores topológicos magnéticos. Ciencia ficción. 2024;383(6683):634-639. doi: 10.1126/ciencia.adk1270

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