La estabilidad de una computadora cuántica se mejora con un nuevo superconductor topológico

Los investigadores de Penn State han sido pioneros en superconductores topológicos de vanguardia que mejoran la estabilidad de una computadora cuántica, una limitación importante de la tecnología.

El equipo ideó una nueva forma de combinar dos materiales, un superconductor de una sola capa y un aislante topológico, con propiedades eléctricas especiales. Esta combinación proporciona una plataforma ideal para investigar un tipo inusual de superconductividad conocida como superconductividad topológica, que podría allanar el camino para las computadoras cuánticas topológicas notablemente más estables que la tecnología convencional.

La investigación del equipoCruce de superconductividad VB epitaxial de tipo Ising a Rashpa₂se₃/ monocapa NbSe₂ estructuras heterogéneasen Materiales de la naturaleza.

Desarrollo de un superconductor topológico

Los superconductores se utilizan en diversas tecnologías, incluidos imanes potentes, circuitos digitales e imágenes. Permiten el paso de la corriente eléctrica sin resistencia. En contraste, los aisladores topológicos son películas delgadas de solo unos pocos átomos de espesor que restringen el movimiento de los electrones, lo que resulta en propiedades únicas. Los investigadores de Penn State han desarrollado un método para emparejar los dos materiales.

Cui-Zu Chang, profesor asistente de física en Penn State y líder del equipo de investigación, comentó: «Futura Estadísticas Cuantitativas Se basa en un tipo de material que llamamos superconductor topológico, que se puede formar combinando un aislante topológico y un superconductor, pero el proceso real de combinar estos dos materiales es difícil.

«En este estudio, utilizamos una técnica llamada epitaxia de haz molecular para ensamblar películas aislantes topológicas y superconductoras y crear una estructura heterogénea bidimensional que es una excelente plataforma para explorar el fenómeno de la superconductividad topológica».

Los intentos anteriores de combinar los dos materiales han dado malos resultados, ya que la superconductividad en películas delgadas generalmente desaparece después de que la capa aislante topológica crece encima. Los expertos pudieron aplicar una película aislante topológica a un superconductor tridimensional «suelto» y conservar las propiedades de ambos materiales. Sin embargo, las aplicaciones de los superconductores topológicos, como los chips de bajo consumo para teléfonos inteligentes y computadoras cuánticas, deben ser bidimensionales.

Los investigadores superaron estos problemas para crear un superconductor topológico bidimensional apilando una película aislante topológica hecha de seleniuro de bismuto (Bi2Se3) de diferentes espesores sobre una película superconductora que consiste en una monocapa de diseleniuro de niobio (NbSe2). El equipo consiguió conservar las propiedades topológicas y superconductoras sintetizando las estructuras heterogéneas a muy baja temperatura.

«En los superconductores, los electrones forman ‘pares de Cooper’ y pueden fluir sin resistencia, pero un fuerte campo magnético puede romper esos pares», explicó Hemian Yi, investigador postdoctoral del Grupo de Investigación Zhang en Penn State y primer autor del artículo.

«La película superconductora de una sola capa que usamos se conoce como ‘superconductividad de tipo Ising’, lo que significa que los pares de Cooper son muy fuertes contra los campos magnéticos en el plano. También esperamos que la fase superconductora topológica formada en nuestras heteroestructuras sea fuerte en este camino.” .

Resolver problemas de estabilidad de computadoras cuánticas

Los investigadores descubrieron que al modificar el grosor de la capa topológica, la estructura heterogénea pasó de una superconductividad de tipo Ising (en la que el espín del electrón es perpendicular a la película) a una superconductividad de tipo Rashba (en la que el espín del electrón es paralelo a la película). ). También notaron este fenómeno en sus cálculos teóricos y simulados.

Esta estructura heterogénea puede ser una plataforma ideal para explorar los fermiones de Majorana, partículas enigmáticas que ayudarían a desarrollar una computadora cuántica topológica más estable que las versiones anteriores de la tecnología.

Change concluyó: «Esta es una excelente plataforma para explorar la superconductividad topológica, y esperamos encontrar evidencia de superconductividad topológica en nuestro trabajo en curso. Una vez que tengamos evidencia sólida de superconductividad topológica y demostremos la física de Majorana, entonces este tipo de sistema se puede adaptar para computación cuántica y otras aplicaciones.» «