Incluso las supercomputadoras más rápidas luchan con algunas tareas complejas, como descubrir nuevos medicamentos o descifrar el cifrado avanzado. Es posible que algún día las computadoras cuánticas enfrenten estos desafíos, pero dependen de materiales raros conocidos como superconductores topológicos, que son extremadamente difíciles de fabricar y controlar.
Investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago (UChicago PME) y la Universidad de West Virginia han demostrado ahora una forma práctica de poner estos materiales a nuestro alcance. Al ajustar ligeramente una fórmula química, pudieron cambiar la cantidad de electrones que interactúan dentro del material, lo que lleva a un estado topológico superconductor.
El equipo se centró en películas ultrafinas fabricadas a partir de dos elementos, telurio y selenio. Al cambiar cuidadosamente la proporción de estos elementos, descubrieron que podían empujar el material de una fase cuántica a otra, incluida la fase superconductora topológica.
Sus resultados, publicados comunicación de la naturalezaMuestre con qué fuerza los electrones se afectan entre sí al cambiar la proporción de telurio a selenio. Estas correlaciones electrónicas actúan como un mecanismo de ajuste, lo que permite a los científicos diseñar deliberadamente estados cuánticos inusuales.
“Podemos ajustar el efecto de esta correlación como un dial”, dijo Haoran Lin, estudiante graduado de PME de UChicago y primer autor del nuevo trabajo. “Si la correlación es demasiado fuerte, los electrones se quedan atrapados en su lugar. Si son demasiado débiles, el material pierde sus propiedades topológicas especiales. Pero en el nivel justo, se obtiene un superconductor topológico”.
“Esto abre una nueva dirección para la investigación de materiales cuánticos”, afirmó Xulong Yang, profesor asistente de ingeniería molecular y autor principal del nuevo trabajo. “Hemos creado una poderosa herramienta para diseñar los materiales que serán necesarios para la próxima generación de computadoras cuánticas”.
Seleniuro de telururo de hierro y efectos cuánticos competitivos
El material en el centro de la investigación, el seleniuro de telururo de hierro, fue descubierto relativamente recientemente y es conocido por combinar superconductividad con un comportamiento topológico inusual.
“Este es un material único porque combina todos los elementos necesarios que se esperan en una plataforma para la superconductividad topológica: la superconductividad en sí, un fuerte acoplamiento espín-órbita y una correlación electrónica pronunciada”, dijo Subhashish Mondal, profesor asistente de física en la Universidad de West Virginia y autor del nuevo artículo. “Esta combinación lo convierte en un sistema ideal para explorar cómo interactúan y compiten los diferentes efectos cuánticos”.
Anteriormente, los científicos habían fabricado este material en forma cristalina masiva y observado estados cuánticos interesantes. Sin embargo, los cristales en masa son difíciles de manipular y su composición química puede variar de una región a otra, lo que dificulta lograr resultados consistentes.
Películas delgadas para dispositivos cuánticos estables
Los superconductores topológicos son particularmente atractivos para las tecnologías cuánticas porque sus estados topológicos son inherentemente estables y menos vulnerables al ruido que perturba la mayoría de los sistemas cuánticos.
Las películas ultrafinas desarrolladas por el grupo de Young ofrecen varias ventajas sobre otros candidatos a superconductores topológicos. Operan a 13 Kelvin, en comparación con aproximadamente 1 Kelvin para las plataformas a base de aluminio. Esta temperatura de funcionamiento más alta facilita el enfriamiento utilizando sistemas de helio líquido estándar. Además, las películas delgadas proporcionan una mayor uniformidad y son más compatibles con las técnicas modernas de fabricación de dispositivos que los cristales a granel.
“Si intenta utilizar este material para una aplicación práctica, debe poder cultivarlo en una película delgada en lugar de intentar despegarlo de una roca que puede no tener una composición consistente”, explicó Lin.
Varios grupos de investigación ya están trabajando con el grupo de Yang para modelar estas películas y construir prototipos de dispositivos cuánticos. Al mismo tiempo, los investigadores continúan investigando otras propiedades del seleniuro de telururo de hierro en película delgada para comprender mejor su potencial para la computación cuántica de próxima generación.
