Cuando se combinan diferentes estados cuánticos, pueden surgir nuevos estados colectivos de la materia. En el ámbito cuántico, la combinación de componentes como los átomos con efectos cuánticos puede dar lugar a estados cuánticos macroscópicos de la materia, que contienen excitaciones cuánticas exóticas que no existen en otros lugares.
En una colaboración entre la Universidad Aalto y el Instituto de Física CAS, los investigadores crearon un material cuántico sintético, átomo por átomo, a partir de titanio magnético sobre un sustrato de óxido de magnesio. Luego diseñaron cuidadosamente cómo interactúan los átomos dentro del material con el objetivo de dar lugar a un nuevo estado de materia cuántica. El profesor asistente de la Universidad Aalto, José Lado, creó el diseño teórico para diseñar materiales que presenten magnetismo cuántico topológico, y un grupo dirigido por el profesor asociado Cai Yang en el Instituto de Física CAS estudió átomos con microscopía de barrido de túneles. Creó y midió materiales sintéticos utilizando manipuladores. .
Como resultado, los investigadores demostraron por primera vez un nuevo estado cuántico de la materia conocido como imán cuántico topológico de orden superior. Un imán topológico puede representar una nueva forma de lograr una protección sustancial contra las inestabilidades en la tecnología cuántica.
La investigación fue publicada hoy. Nanotecnología de la naturaleza
Además de ser interesantes desde una perspectiva científica básica, los materiales topológicos cuánticos de muchos cuerpos, como este nuevo imán cuántico, podrían tener un impacto importante en las futuras tecnologías cuánticas.
«La creación de imanes cuánticos topológicos de muchos cuerpos permite explorar una nueva e interesante dirección en la física. Las excitaciones en los imanes cuánticos topológicos tienen propiedades muy diferentes a las que se encuentran en los imanes convencionales y pueden permitirnos crear nuevos fenómenos físicos que están más allá de las capacidades de los materiales cuánticos existentes, dice Lado.
Los imanes cuánticos son materiales que realizan la superposición cuántica de estados magnéticos, llevando los fenómenos cuánticos de la escala microscópica a la macroscópica. Estos materiales contienen excitaciones cuánticas exóticas (incluidas excitaciones parciales en las que los electrones se comportan como si estuvieran divididos en muchas partes) que no existen fuera del material.
Para saber cómo se comportaban los átomos dentro del material cuántico que los investigadores habían recolectado, pincharon cada átomo con una pequeña aguja. Esta técnica permite realizar pruebas precisas de qubits a nivel atómico. La aguja, en realidad una punta metálica atómicamente afilada, servía para excitar el momento magnético local de los átomos, lo que daba como resultado una excitación topológica con alta coherencia.
«Las excitaciones cuánticas topológicas, como las que hemos realizado en los imanes cuánticos topológicos, pueden proporcionar una protección sustancial contra las interacciones. En última instancia, la protección que ofrecen estas excitaciones exóticas podría ayudarnos a superar algunos de los desafíos más importantes de los qubits disponibles actualmente, afirma Lado.
En su experimento, los investigadores observaron que las excitaciones topológicas eran resistentes a la refracción, una característica que también se predijo en el diseño teórico de Lado. Los resultados también mostraron que la coherencia cuántica de las excitaciones topológicas era mayor que la de sus componentes individuales originales. El hallazgo podría indicar una manera para que los investigadores conviertan materiales cuánticos sintéticos en un bloque de construcción para información cuántica que sea inmune al entrelazamiento.
