los físicos estadounidenses y alemanes han encontrado evidencia sorprendente de que uno de los fenómenos más famosos de la física moderna, el efecto Hall cuántico, se "reencarna" en superconductores topológicos que podrían usarse para construir computadoras cuánticas tolerantes a fallas.
El descubrimiento de 1980 del efecto Hall cuántico inició el estudio de los órdenes topológicos, estados electrónicos con patrones "protegidos" de enredo cuántico de largo alcance que son notablemente robustos. La estabilidad de estos estados protegidos es extremadamente atractiva para la computación cuántica, queutiliza el entrelazamiento cuántico para almacenar y procesar información.
En un estudio publicado en línea este mes en Revisión física X PRX, físicos teóricos de la Universidad de Rice, la Universidad de California, Berkeley UC Berkeley y el Instituto de Tecnología de Karlsruhe KIT en Karlsruhe, Alemania, presentaron una fuerte evidencia numérica de un sorprendente vínculo entre las fases 2D y 3Dde la materia topológica. El efecto Hall cuántico se descubrió en materiales 2D, y los laboratorios de todo el mundo están en una carrera para crear superconductores topológicos 3D para la computación cuántica.
"En este trabajo hemos demostrado que una clase particular de superconductores topológicos 3D debería exhibir 'pilas de energía' de estados electrónicos 2D en sus superficies", dijo el coautor de Rice, Matthew Foster, profesor asociado de física y astronomía y miembrodel Centro de Arroz para Materiales Cuánticos RCQM. "Cada uno de estos estados apilados es una 'reencarnación' robusta de un único estado muy especial que ocurre en el efecto Hall cuántico 2D".
El efecto Hall cuántico se midió por primera vez en materiales bidimensionales. Foster utiliza una analogía de "percolación" para ayudar a visualizar las extrañas similitudes entre lo que ocurre en los experimentos Hall cuánticos 2D y los modelos computacionales 3D del estudio.
"Imagen de una hoja de papel con un mapa de picos y valles escarpados, y luego imagina lo que sucede cuando llenas ese paisaje con agua", dijo. "El agua son nuestros electrones, y cuando el nivel de líquido es bajo,solo tienes lagos aislados de electrones. Los lagos están desconectados entre sí, y los electrones no pueden conducir a través de la masa. Si el nivel del agua es alto, tienes islas aisladas, y en este caso las islas son como los electrones, ytampoco obtienes conducción masiva "
En la analogía de Foster, el paisaje accidentado es el potencial eléctrico del material 2D, y el nivel de resistencia corresponde a la cantidad de impurezas en el sistema. El nivel del agua representa la "energía de Fermi", un concepto en física que se refiere al llenadonivel de electrones en un sistema. Los bordes del mapa de papel son análogos a los bordes 1D que rodean el material 2D.
"Si agrega agua y ajusta el nivel de líquido con precisión al punto donde tiene pequeños puentes de agua que conectan los lagos y pequeños puentes de tierra que conectan las islas, entonces es tan fácil viajar por agua o tierra", dijo Foster."Ese es el umbral de percolación, que corresponde a la transición entre estados topológicos en la sala cuántica. Este es el estado 2D especial en la sala cuántica".
"Si aumenta más el nivel de líquido, ahora los electrones quedan atrapados en islas aisladas, y pensaría: 'Bueno, tengo la misma situación que tuve antes, sin conducción'. Pero, en la transición especial,uno de los estados electrónicos se ha despegado hasta el borde. Agregar más líquido no elimina el estado del borde, que puede rodear toda la muestra y nada puede detenerlo ".
La analogía describe la relación entre la conducción de borde robusta y el ajuste a granel a través de la transición especial en el efecto Hall cuántico. En el estudio PRX, Foster y los coautores Bjo? Rn Sbierski de UC Berkeley y Jonas Karcher de KIT estudiaron 3Dsistemas topológicos que son similares a los paisajes 2D en la analogía.
"Las cosas interesantes en estos sistemas 3D también solo están sucediendo en el límite", dijo Foster. "Pero ahora nuestros límites no son estados de borde 1D, son superficies 2D".
Utilizando "cálculos numéricos de fuerza bruta de los estados de la superficie", Sbierski, Karcher y Foster encontraron un vínculo entre el estado crítico de la sala cuántica 2D y los sistemas 3D. Al igual que el estado del borde 1D que persiste por encima de la energía de transición en la sala cuántica 2Dmateriales, los cálculos revelaron un estado límite 2D persistente en los sistemas 3D. Y no cualquier estado 2D; es exactamente el mismo estado de percolación 2D que da lugar a estados de borde Hall cuántico 1D.
"Lo que fue una transición de fase cuántica topológica afinada en 2D se 'reencarnó' como el estado genérico de la superficie para un volumen dimensional más alto", dijo Foster. "En el estudio de 2018, mi grupo identificó una conexión análoga entre una diferente,tipo más exótico de efecto Hall cuántico 2D y los estados de superficie de otra clase de superconductores topológicos 3D. Con esta nueva evidencia, ahora estamos seguros de que existe una razón topológica profunda para estas conexiones, pero en este momento las matemáticas siguen siendo oscuras ".
Los superconductores topológicos aún no se han realizado experimentalmente, pero los físicos están tratando de crearlos agregando impurezas a los aisladores topológicos. Este proceso, conocido como dopaje, se ha utilizado ampliamente para fabricar otros tipos de superconductores no convencionales a partir de aisladores a granel.
"Ahora tenemos evidencia de que tres de las cinco fases topológicas 3D están vinculadas a fases 2D que son versiones del efecto Hall cuántico, y las tres fases 3D podrían realizarse en 'superconductores topológicos'", dijo Foster.
Foster dijo que la sabiduría convencional en física de materia condensada ha sido que los superconductores topológicos albergarían cada uno solo un estado de superficie 2D protegido y todos los demás estados se verían afectados negativamente por imperfecciones inevitables en los materiales de estado sólido utilizados para fabricar los superconductores.
Pero los cálculos de Sbierski, Karcher y Foster sugieren que ese no es el caso.
"En el Salón cuántico, puede sintonizar en cualquier lugar y aún obtener esta meseta robusta en conductancia, debido a los estados de borde 1D", dijo Foster. "Nuestro trabajo sugiere que también es el caso en 3D. Vemos montones de estados críticos endiferentes niveles de energía, y todos ellos están protegidos por esta extraña reencarnación del estado de transición de la sala cuántica 2D ".
Los autores también prepararon el escenario para el trabajo experimental para verificar sus hallazgos, elaborando detalles de cómo deberían aparecer los estados de superficie de las fases 3D en varias sondas experimentales.
"Proporcionamos 'huellas digitales' estadísticas precisas para los estados superficiales de las fases topológicas", dijo Foster. "Las funciones de onda reales son aleatorias, debido al desorden, pero sus distribuciones son universales y coinciden con la transición cuántica de Hall".
La investigación fue apoyada por una subvención CAREER de la National Science Foundation 1552327, la Academia Nacional de Ciencias de Alemania Leopoldina LPDS 2018-12, una subvención de viaje de investigación KIT, fondos estatales alemanes para graduados y la Iniciativa de Impacto de Investigación Berkeley de la Biblioteca Berkeley de la Universidad de California.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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