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(noticias nanowerk) Las computadoras cuánticas procesan información utilizando bits cuánticos, o qubits, que se basan en estados mecánicos cuánticos frágiles y de corta duración. Para hacer que los qubits sean robustos y adaptarlos a sus aplicaciones, los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge intentaron crear un nuevo sistema de materiales.
«Estamos siguiendo un nuevo camino para desarrollar computadoras cuánticas utilizando materiales novedosos», dijo el científico de materiales de ORNL, Robert Moore, quien codirigió un estudio publicado en Materiales avanzados (“Superconductividad monocapa y estructura electrónica topológica sintonizable en Fe (Te, Se) / Bi2te3 Interface”) con el colega de ORNL Matthew Brahlek, que también es 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 los átomos. La novedosa interfaz que han diseñado y construido podría conducir a una física exótica y albergar un bloque de construcción cuántico único con potencial como qubit superior.
«La idea es fabricar qubits a partir de materiales que tengan propiedades mecánicas cuánticas más robustas», dijo Moore. “Es importante destacar que hemos aprendido a controlar la estructura electrónica del aislante topológico y el superconductor de forma independiente, lo que nos permite adaptar la estructura electrónica en esta interfaz. Eso nunca ha pasado antes.»
![Conexión de cables a la interfaz del aislante topológico.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id63683_1.jpg)
Controlando la estructura electrónica a ambos lados de una interfaz, se pueden crear las llamadas partículas de Majorana dentro del material. “En la naturaleza existen partículas y antipartículas, por ejemplo electrones y positrones, que al entrar en contacto se destruyen entre sí. «Una partícula de Majorana es su propia antipartícula», dijo Moore. En 1937, Ettore Majorana predijo la existencia de estas partículas exóticas, cuya existencia aún está por demostrar.
En 2008, los físicos teóricos Liang Fu y Charlie Kane de la Universidad de Pensilvania propusieron que la creación de una interfaz novedosa entre un aislante topológico y un superconductor produciría superconductividad topológica, una nueva fase de la materia que, según se predijo, albergaría partículas de Majorana.
“Si tienes un par de partículas de Majorana y las mueves una alrededor de la otra, queda un recuerdo de ese movimiento. Siempre conocen la ubicación de cada uno”, dijo Moore. «Este proceso podría utilizarse para codificar información cuántica y calcularla de nuevas formas».
Sin embargo, la realización de una nueva fase de la materia capaz de albergar partículas de Majorana depende de encontrar el material adecuado. Un servicio como este requiere un equipo diverso de expertos.
Cuando Moore llegó a ORNL en 2019, trajo consigo una nueva experiencia en espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo (ARPES), una técnica para estudiar la estructura electrónica de materiales. ARPES se basa en el efecto fotoeléctrico, por el que Albert Einstein recibió el Premio Nobel de Física en 1921. Enfoca una fuente de luz en una muestra y caracteriza los electrones que son expulsados de la superficie del material a medida que los electrones absorben energía de los fotones. La técnica ayuda a los científicos a comprender cómo se comportan los electrones en un material.
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 DOE, el Centro de Ciencias Cuánticas, establecido en 2020. Dirigido por Travis Humble de ORNL, el QSC tiene como objetivo realizar aplicaciones de detección y computación cuántica mediante el desarrollo de hardware y algoritmos y el descubrimiento de materiales novedosos. Moore y sus colegas se centran en materiales topológicos para el desarrollo de hardware. Desde abril, Moore también ha liderado el Ecosistema Científico Interconectado (INTERSECT) de ORNL con Ben Mintz para desarrollar laboratorios del futuro: procesos y experimentos inteligentes controlados de forma autónoma con el potencial de revolucionar los resultados de la investigación.
Brahlek, que se unió a ORNL en 2018 y recientemente recibió un premio DOE Early Career Research Award, es un experto en síntesis de precisión de materiales. Para crear interfaces superpuras entre un superconductor y un aislante topológico, utilizó epitaxia de haz molecular, un método utilizado por la industria para producir semiconductores para dispositivos electrónicos a gran escala.
Con la ayuda del ex investigador postdoctoral Tyler Smith, Brahlek realizó la síntesis en ultraalto vacío. “Hay menos moléculas rebotando dentro de la cámara que en el espacio. Es un ambiente realmente limpio. Tiene que estar bien controlado”, afirmó Brahlek. “Se empieza con hornos pequeños, cada uno con un elemento. Cada horno se calienta hasta que el elemento interior comienza a sublimarse, o pasar de un estado sólido a un estado de vapor. Esto crea vigas a partir de elementos. Todos convergen en un sustrato cristalino y se adhieren a él”.
Depositó hierro, selenio y telurio juntos para crear un superconductor de una capa atómica de espesor. «Si las condiciones son las adecuadas, los átomos depositados se unirán químicamente, átomo por capa, formando una fina película cristalina», dijo Brahlek.
«Una clave para obtener los resultados fue comprender cómo combinar telururo de bismuto con telururo de seleniuro de hierro en una interfaz atómica para lograr el comportamiento electrónico deseado», dijo Brahlek.
Esta hazaña fue difícil porque la red del superconductor de hierro, selenio y telurio consta de células cuadradas ordenadas, mientras que el aislante topológico es una red de triángulos contiguos. «Ponemos algo cuadrado sobre algo triangular, pero sorprendentemente la película cristalina crece bien», dijo Brahlek. «Este éxito requiere una comprensión de la física y la química que ocurre en estas interfaces, lo cual es fundamental para combinar propiedades topológicas y superconductoras en una sola plataforma».
Esta plataforma es el superconductor topológico. Para comprender sus propiedades topológicas, Moore, con la ayuda del investigador postdoctoral de ORNL Qiangsheng Lu, utilizó ARPES con resolución de espín para estudiar la estructura electrónica cuántica dependiente del espín en la interfaz del aislante topológico y el superconductor. Para confirmar su comportamiento superconductor, Brahlek y los ex investigadores postdoctorales del ORNL, Yun-Yi Pai y Michael Chilcote, ayudaron a medir la resistencia eléctrica.
«Pudimos ver cómo interactúan las diferentes estructuras electrónicas en la interfaz y pudimos controlar estas interacciones para asegurarnos de que todos los ingredientes para la superconductividad topológica estén presentes», dijo Moore. “Descubrimos que las propiedades topológicas deseadas sólo existen para determinadas regiones dopadas con selenio. Esta fue una sorpresa que es crucial para crear qubits”.
Mientras tanto, Hoyeon Jeon y An-Ping Li del Centro de Ciencia de Materiales Nanofásicos de ORNL utilizaron microscopía de efecto túnel para caracterizar el desorden en los materiales. Los colaboradores de ORNL, Hu Miao y Satoshi Okamoto, brindaron orientación experimental y teórica durante todo el estudio.
Quedan desafíos cruciales. «Necesitamos mejorar los materiales a nivel atómico y comprenderlos mejor, 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: «Desarrollar un qubit basado en partículas de Majorana es uno de los objetivos finales del Centro de Ciencias Cuánticas.» La partícula de Majorana en los materiales es un estado tan exótico. Para demostrar que existe, es necesario construir y probar un dispositivo similar a un qubit. Es una forma extraña de pensarlo, pero tienes que crear un qubit para demostrar que es un qubit. Ahora sabemos cómo controlar los materiales al nivel necesario para lograrlo”.
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