Las computadoras cuánticas prometen realizar operaciones de gran importancia que hoy se consideran imposibles para nuestra tecnología. Las computadoras actuales procesan información a través de transistores que transportan una de dos unidades de información, ya sea 1 o 0. La computación cuántica se basa en el comportamiento mecánico cuánticode la unidad lógica. Cada unidad cuántica, o "qubit", puede existir en una superposición cuántica en lugar de tomar valores discretos. Los mayores obstáculos para la computación cuántica son los qubits mismos: es un desafío científico continuo crear unidades lógicas lo suficientemente robustasllevar instrucciones sin verse afectado por el entorno y los errores resultantes.
Los físicos han teorizado que un nuevo tipo de material, llamado aislante topológico tridimensional 3-D, podría ser un buen candidato a partir del cual crear qubits que serán resistentes a estos errores y protegidos de perder suinformación cuántica. Este material tiene un interior aislante y superficies metálicas superiores e inferiores que conducen electricidad. La propiedad más importante de los aislantes topológicos tridimensionales es que se prevé que las superficies conductoras estén protegidas de la influencia del entorno. Existen pocos estudiosque han probado experimentalmente cómo se comportan los TI en la vida real.
Un nuevo estudio de la Universidad de Utah descubrió que, de hecho, cuando las capas aislantes son tan delgadas como 16 capas atómicas quíntuples, las superficies metálicas superior e inferior comienzan a influirse entre sí y destruir sus propiedades metálicas. El experimento demuestra queLas superficies opuestas comienzan a influirse entre sí en un interior aislante mucho más grueso que los estudios anteriores, posiblemente acercándose a un fenómeno teórico raro en el que las superficies metálicas también se vuelven aislantes a medida que el interior se adelgaza.
"Los aislantes topológicos podrían ser un material importante en la computación cuántica futura. Nuestros hallazgos han descubierto una nueva limitación en este sistema", dijo Vikram Deshpande, profesor asistente de física en la Universidad de Utah y autor correspondiente del estudio. "Personas que trabajancon los aislantes topológicos necesitan saber cuáles son sus límites. Resulta que a medida que se acerca a ese límite, cuando estas superficies comienzan a "hablar" entre sí, aparece una nueva física, que también es bastante genial ".
El nuevo estudio publicado el 16 de julio de 2019 en la revista Cartas de revisión de física .
Sandwiches descuidados construidos con aislantes topológicos
Imagine un libro de texto de tapa dura como un aislante topológico en 3-D, dijo Deshpande. La mayor parte del libro son las páginas, que es una capa aislante, no puede conducir electricidad. Las cubiertas duras en sí representan las superficies metálicas. Diez añosHace unos años, los físicos descubrieron que estas superficies podían conducir electricidad, y nació un nuevo campo topológico.
Deshpande y su equipo crearon dispositivos usando TI tridimensionales al apilar cinco capas delgadas de varios átomos de varios materiales en estructuras parecidas a un sándwich descuidado. El núcleo principal del sándwich es el aislante topológico, hecho de unas pocas capas quíntuples deselenuro de telurio y antimonio de bismuto Bi2-xSbxTe3-ySey. Este núcleo está rodeado por unas pocas capas de nitruro de boro, y se completa con dos capas de grafito, arriba y abajo. El grafito funciona como puertas metálicas, creando esencialmente dos transistores quecontrole la conductividad. El año pasado, Deshpande dirigió un estudio que demostró que esta receta topológica construyó un dispositivo que se comportó como cabría esperar: aisladores a granel que protegen las superficies metálicas del entorno.
En este estudio, manipularon los dispositivos TI 3-D para ver cómo cambiaban las propiedades. Primero, construyeron heteroestructuras de Van der Waal, esos emparedados descuidados, y los expusieron a un campo magnético. El equipo de Deshpande probó muchos en suEl laboratorio de la Universidad de Utah y el primer autor Su Kong Chong, candidato a doctorado en la U, viajaron al Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Tallahassee para realizar los mismos experimentos allí utilizando uno de los campos magnéticos más altos del país.En el campo magnético, un patrón de tablero de ajedrez emergió de las superficies metálicas, mostrando las vías por las cuales la corriente eléctrica se moverá en la superficie. Los tableros de ajedrez, que consisten en conductividades cuantificadas versus voltajes en las dos puertas, están bien definidos, con la rejilla intersectandopuntos de intersección limpios, lo que permite a los investigadores rastrear cualquier distorsión en la superficie.
Comenzaron con la capa aislante a 100 nanómetros de grosor, aproximadamente una milésima del diámetro de un cabello humano, y progresivamente se adelgazaron a 10 nanómetros. El patrón comenzó a distorsionarse hasta que la capa aislante tenía 16 nanómetros de grosor, cuando la intersecciónlos puntos comenzaron a romperse, creando un espacio que indicaba que las superficies ya no eran conductoras.
"Esencialmente, hemos convertido algo que era metálico en algo aislante en ese espacio de parámetros. El objetivo de este experimento es que podemos cambiar de manera controlable la interacción entre estas superficies", dijo Deshpande. "Comenzamos con que sean completamenteindependientes y metálicos, y luego comienzan a acercarlos cada vez más hasta que comienzan a 'hablar', y cuando están realmente cerca, esencialmente quedan vacíos y se vuelven aislantes "
Experimentos previos en 2010 y 2012 también habían observado la brecha de energía en las superficies metálicas a medida que el material aislante se diluye. Pero esos estudios concluyeron que la brecha de energía apareció con capas aislantes mucho más delgadas, de cinco nanómetros de tamaño. Este estudio observó laLas propiedades de la superficie metálica se descomponen con un grosor interior mucho mayor, hasta 16 nanómetros. Los otros experimentos utilizaron diferentes métodos de "ciencia de la superficie" donde observaron los materiales a través de un microscopio con una punta metálica muy afilada para observar cada átomo individualmente o los estudiaron conluz altamente energética.
"Estos fueron experimentos extremadamente complicados que están bastante alejados de la creación de dispositivos que estamos haciendo", dijo Deshpande.
A continuación, Deshpande y el equipo examinarán más de cerca la física creando esa brecha de energía en las superficies. Él predice que estas brechas pueden ser positivas o negativas dependiendo del grosor del material.
Otros autores que contribuyeron al estudio son Kyu Bum Han y Taylor Sparks del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la U.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Utah . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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