Una nueva investigación sobre el disulfuro de tungsteno bidimensional WS2 podría abrir la puerta a los avances en la computación cuántica.
En un artículo publicado el 13 de septiembre en Comunicaciones de la naturaleza los científicos informan que pueden manipular las propiedades electrónicas de este material súper delgado de formas que podrían ser útiles para codificar datos cuánticos.
El estudio trata de los valles energéticos de WS2, que el físico de la Universidad de Buffalo, Hao Zeng, coautor principal del artículo, describe como "los extremos de energía local de la estructura electrónica en un sólido cristalino".
Los valles corresponden con energías específicas que los electrones pueden tener en un material, y la presencia de un electrón en un valle versus otro puede usarse para codificar información. Un electrón en un valle puede representar un 1 en código binario, mientras que un electrón enel otro puede representar un 0.
La capacidad de controlar dónde se pueden encontrar los electrones podría generar avances en la computación cuántica, permitiendo la creación de qubits, la unidad básica de información cuántica. Los Qubits tienen la misteriosa calidad de poder existir no solo en un estado de 1 o 0, pero en una "superposición" relacionada con ambos estados.
El papel en Comunicaciones de la naturaleza marca un paso hacia estas tecnologías futuras, demostrando un método novedoso para manipular estados de valle en WS2.
Zeng, PhD, profesor de física en la Facultad de Artes y Ciencias de la UB, dirigió el proyecto con Athos Petrou, PhD, Profesor Distinguido de Física de la UB, y Renat Sabirianov, PhD, presidente de física en la Universidad de Nebraska Omaha. Adicionallos coautores incluyeron a los estudiantes de posgrado de física de la UB Tenzin Norden, Chuan Zhao y Peiyao Zhang. La investigación fue financiada por la National Science Foundation.
Cambiando los valles de energía del disulfuro de tungsteno
El disulfuro de tungsteno bidimensional es una sola capa del material que tiene un espesor de tres átomos. En esta configuración, WS2 tiene dos valles de energía, ambos con la misma energía.
Investigaciones anteriores han demostrado que la aplicación de un campo magnético puede cambiar la energía de los valles en direcciones opuestas, reduciendo la energía de un valle para que sea "más profundo" y más atractivo para los electrones, al tiempo que aumenta la energía del otro valle para haceres "menos profundo", dice Zeng.
El nuevo estudio se basa en este trabajo previo al agregar otra innovación.
"Mostramos que el cambio en la energía de los dos valles se puede ampliar en dos órdenes de magnitud si colocamos una capa delgada de sulfuro de europio magnético debajo del disulfuro de tungsteno", dice Zeng. "Cuando aplicamos un campo magnético"de 1 Tesla, somos capaces de lograr un enorme cambio en la energía de los valles, equivalente a lo que podríamos lograr aplicando un campo magnético de aproximadamente cien Tesla si el sulfuro de europio no estuviera presente ".
"El tamaño del efecto era muy grande, era como usar un amplificador de campo magnético", dice Petrou. "Fue tan sorprendente que tuvimos que verificarlo varias veces para asegurarnos de no cometer errores".
¿El resultado final? La capacidad de manipular y detectar electrones en los valles se mejora enormemente, cualidades que podrían facilitar el control de qubits para la computación cuántica.
Estados del valle como qubits para la computación cuántica g
Al igual que otras formas de computación cuántica, la computación cuántica basada en el valle dependería de las cualidades peculiares de las partículas subatómicas, en este caso los electrones, para realizar cálculos poderosos.
Los electrones se comportan de maneras que pueden parecer extrañas, por ejemplo, pueden estar en varios lugares a la vez. Como resultado, 1 y 0 no son los únicos estados posibles en sistemas que usan electrones en valles como qubits. Un qubit puedeTambién estar en cualquier superposición de estos estados, lo que permite que las computadoras cuánticas exploren muchas posibilidades simultáneamente, dice Zeng.
"Esta es la razón por la cual la computación cuántica es tan poderosa para ciertas tareas especiales", dice Zeng. "Debido a la naturaleza probabilística y aleatoria de la computación cuántica, es particularmente adecuada para aplicaciones como inteligencia artificial, criptografía, modelado financiero y mecánica cuánticasimulaciones para diseñar mejores materiales. Sin embargo, es necesario superar muchos obstáculos y es probable que falten muchos años para que la computación cuántica universal escalable se convierta en realidad ".
El nuevo estudio se basa en el trabajo previo de Zeng y Petrou, en el que utilizaron sulfuro de europio y campos magnéticos para alterar la energía de dos valles en otro material 2D: diselenuro de tungsteno WSe2.
Aunque WS2 y WSe2 son similares, respondieron de manera diferente al ejercicio de "división del valle". En WS2, el valle que se hizo "más profundo" era análogo al valle en WSe2 que se volvió "menos profundo", y viceversa, creando oportunidades paraexplore cómo esta distinción podría proporcionar flexibilidad en las aplicaciones de la tecnología.
Una característica que comparten ambos materiales podría beneficiar a la computación cuántica: tanto en WS2 como en WSe2, los electrones que pueblan los dos valles de energía tienen espines opuestos, una forma de momento angular. Si bien este rasgo no es necesario para crear un qubit, "proporciona ciertaprotección de los estados cuánticos, haciéndolos más robustos ", dice Zeng.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Buffalo . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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