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(Noticias de Nanowerk) Una nueva forma de combinar dos materiales con propiedades eléctricas peculiares, un superconductor monocapa y un aislante topológico, ofrece la mejor plataforma hasta ahora para estudiar una forma inusual de superconductividad, denominada superconductividad topológica. La combinación podría proporcionar la base para computadoras cuánticas topológicas que sean más estables que sus contrapartes tradicionales.
Los superconductores, utilizados en potentes imanes, circuitos digitales y dispositivos de imágenes, permiten que la corriente eléctrica pase sin resistencia, mientras que los aislantes topológicos son películas delgadas de solo unos pocos átomos de espesor que restringen el movimiento de los electrones en sus bordes, lo que puede conducir a propiedades únicas. Un equipo dirigido por investigadores de Penn State describe cómo combinaron los dos materiales en un artículo de la revista. materiales naturales («Cruce de supraconductividad de tipo Ising a Rashba en epitaxial Bi2se3/Monocapa NbSe2 heteroestructuras»).
![Las estructuras híbridas de solo unas pocas capas atómicas son una buena plataforma para estudiar una forma inusual de superconductividad, llamada superconductividad topológica.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61734_1.jpg)
«El futuro de la computación cuántica depende de un tipo de material que llamamos superconductor topológico, que se puede formar combinando un aislante topológico con un superconductor, pero el proceso real de combinar estos dos materiales es un desafío», dijo Cui-Zu Chang, Henry W. Knerr Profesor de Carrera Temprana y Profesor Asociado de Física en Penn State y líder del equipo de investigación. «En este estudio, utilizamos una técnica llamada epitaxia de haz molecular para sintetizar películas aislantes topológicas y superconductoras, creando una heteroestructura bidimensional que proporciona una excelente plataforma para explorar el fenómeno de la superconductividad topológica».
En experimentos anteriores que combinaron los dos materiales, la superconductividad en películas delgadas generalmente desaparece una vez que se desarrolla una capa aislante topológica en la parte superior. Los físicos lograron aplicar una película aislante topológica a un superconductor «a granel» tridimensional y conservar las propiedades de ambos materiales. Sin embargo, las aplicaciones de los superconductores topológicos, como los chips de bajo consumo de las computadoras cuánticas o los teléfonos inteligentes, tendrían que ser bidimensionales.
En este artículo, el equipo de investigación apiló una película aislante topológica de seleniuro de bismuto (Bi2se3) de diferentes espesores sobre una monocapa de diseleniuro de niobio (NbSe2), dando como resultado un producto final bidimensional. Al sintetizar las heteroestructuras a muy baja temperatura, el equipo pudo preservar tanto las propiedades topológicas como las superconductoras.
«En los superconductores, los electrones forman ‘pares de Cooper’ y pueden fluir sin resistencia, pero un fuerte campo magnético puede romper estos pares», dijo Hemian Yi, becario postdoctoral en el Grupo de Investigación Chang en Penn State y primer autor del artículo. “La película superconductora monocapa que usamos es conocida por su ‘superconductividad Ising’, lo que significa que los pares de Cooper son muy resistentes a los campos magnéticos en el plano. También esperaríamos que la fase superconductora topológica formada en nuestras heteroestructuras sea robusta de esta manera”.
Al ajustar sutilmente el espesor del aislador topológico, los investigadores encontraron que la heteroestructura evolucionó desde la superconductividad de tipo Ising, en la que el espín del electrón es perpendicular a la película, a otro tipo de superconductividad llamada «superconductividad de tipo Rashba», donde el electrón el giro es paralelo a la película. Este fenómeno también se observa en los cálculos teóricos y simulaciones de los investigadores.
Esta heteroestructura también podría ser una buena plataforma para estudiar los fermiones de Majorana, una partícula esquiva que contribuiría en gran medida a hacer que una computadora cuántica topológica sea más estable que sus predecesoras.
«Esta es una excelente plataforma para explorar superconductores topológicos, y esperamos encontrar evidencia de superconductividad topológica en nuestro trabajo futuro», dijo Chang. «Una vez que tengamos pruebas sólidas de la superconductividad topológica y demostremos la física de Majorana, este tipo de sistema podría adaptarse a la computación cuántica y otras aplicaciones».
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