Muévete sobre Godzilla vs. King Kong: este es el evento cruzado que estabas esperando. Bueno, al menos si eres un físico de materia condensada. Los investigadores de la Universidad de Harvard han demostrado el primer material que puede estar fuertemente correlacionadointeracciones electrónicas y propiedades topológicas. ¿No está completamente seguro de lo que eso significa? No se preocupe, lo guiaremos a través de él. Todo lo que necesita saber en este momento es que este descubrimiento no solo allana el camino para una computación cuántica más estable sino también unplataforma completamente nueva para explorar el mundo salvaje de la física exótica.
La investigación fue publicada en Física de la naturaleza .
Comencemos con lo básico. Los aisladores topológicos son materiales que pueden conducir electricidad en su superficie o borde pero no en el medio. Lo extraño de estos materiales es que no importa cómo los corte, la superficie siempre será conductora ymedio siempre aislante. Estos materiales ofrecen un campo de juego para la física fundamental pero también son prometedores para una serie de aplicaciones en tipos especiales de electrónica y computación cuántica.
Desde el descubrimiento de los aislantes topológicos, los investigadores de todo el mundo han estado trabajando para identificar materiales con estas poderosas propiedades.
"Un reciente auge en la física de la materia condensada se produjo al descubrir materiales con propiedades topológicamente protegidas", dijo Harris Pirie, un estudiante graduado en el Departamento de Física y primer autor del artículo.
Un material potencial, el hexaboruro de samario, ha estado en el centro de un feroz debate entre los físicos de la materia condensada durante más de una década. La pregunta central: ¿es o no es un aislante topológico?
"En los últimos diez años, un montón de documentos han salido diciendo que sí y un montón de papeles han salido diciendo que no", dijo Pirie. "El quid de la cuestión es que la mayoría de los materiales topológicos no tienen una interacción fuerteelectrones, lo que significa que los electrones se mueven demasiado rápido para sentirse unos a otros. Pero el hexaboruro de samario sí, lo que significa que los electrones dentro de este material se ralentizan lo suficiente como para interactuar fuertemente. En este ámbito, la teoría se vuelve bastante especulativa y no está claro si es posible o nomateriales con propiedades que interactúan fuertemente para ser también topológicos. Como experimentadores, hemos estado trabajando en gran medida con materiales como este ".
Para resolver el debate y determinar, de una vez por todas, si es posible o no tener propiedades altamente interactivas y topológicas, los investigadores primero necesitaban encontrar un parche bien ordenado de superficie de hexaboruro de samario en el que realizarel experimento.
No fue tarea fácil, considerando que la mayor parte de la superficie del material es un desorden escarpado y desordenado. Los investigadores utilizaron herramientas de medición de ultra alta precisión desarrolladas en el laboratorio de Jenny Hoffman, profesora de ciencias de Clowes y autora principal del artículo, para encontrar un parche adecuado de hexaboruro de samario a escala atómica.
A continuación, el equipo se propuso determinar si el material era topológicamente aislante enviando ondas de electrones a través del material y dispersándolos de defectos atómicos, como dejar caer una piedra en un estanque. Al observar las ondas, los investigadores pudieron determinarfuera del impulso de los electrones en relación con su energía.
"Descubrimos que el impulso de los electrones es directamente proporcional a su energía, que es la pistola humeante de un aislante topológico", dijo Pirie. "Es realmente emocionante estar finalmente entrando en esta intersección de la física interactiva y la física topológica.No sabemos lo que encontraremos aquí ".
En lo que respecta a la computación cuántica, los materiales topológicos que interactúan fuertemente pueden proteger a los qubits para que no olviden su estado cuántico, un proceso llamado decoherencia.
"Si pudiéramos codificar la información cuántica en un estado topológicamente protegido, es menos susceptible al ruido externo que puede cambiar accidentalmente el qubit", dijo Hoffman. "Microsoft ya tiene un gran equipo que busca la computación cuántica topológica en materiales compuestos y nanoestructuras"Nuestro trabajo demuestra lo primero en un solo material topológico que aprovecha las fuertes interacciones de electrones que eventualmente podrían usarse para la computación cuántica topológica".
"El siguiente paso será utilizar la combinación de estados cuánticos protegidos topológicamente e interacciones fuertes para diseñar nuevos estados cuánticos de materia, como los superconductores topológicos", dijo Dirk Morr, profesor de física en la Universidad de Illinois en Chicago y el seniorteórico sobre el papel: "Sus propiedades extraordinarias podrían abrir posibilidades sin precedentes para la implementación de bits cuánticos topológicos".
Esta investigación fue co-escrita por Yu Liu, Anjan Soumyanarayanan, Pengcheng Chen, Yang He, MM Yee, PFS Rosa, JD Thompson, Dae-Jeong Kim, Z. Fisk, Xiangfeng Wang, Johnpierre Paglione y MH Hamidian.
Las mediciones electrónicas en Harvard y el crecimiento de cristales de hexaboruro de samario en UC Irvine fueron respaldados por la National Science Foundation. El crecimiento de cristales en la Universidad de Maryland fue respaldado por la Fundación Gordon & Betty Moore. Medidas magnéticas en el Laboratorio Nacional de Los Alamos y teóricasel trabajo en la Universidad de Illinois recibió el apoyo del Departamento de Energía.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences . Original escrito por Leah Burrows. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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