I computer quantistici promettono di eseguire operazioni di grande importanza ritenute oggi impossibili per la nostra tecnologia. I computer attuali elaborano le informazioni tramite transistor che trasportano una delle due unità di informazione, un 1 o uno 0. Il calcolo quantistico si basa sul comportamento della meccanica quantistica dell'unità logica. Ogni unità quantistica, o "qubit, " può esistere in una sovrapposizione quantistica piuttosto che assumere valori discreti. I maggiori ostacoli al calcolo quantistico sono i qubit stessi:è una sfida scientifica in corso creare unità logiche abbastanza robuste da trasportare istruzioni senza essere influenzate dall'ambiente circostante e dagli errori risultanti.

I fisici hanno teorizzato che un nuovo tipo di materiale, chiamato isolante topologico tridimensionale (3-D), potrebbe essere un buon candidato da cui creare qubit che saranno resilienti da questi errori e protetti dalla perdita delle loro informazioni quantistiche. Questo materiale ha sia un interno isolante che superfici superiori e inferiori metalliche che conducono elettricità. La proprietà più importante degli isolanti topologici 3D è che si prevede che le superfici conduttive siano protette dall'influenza dell'ambiente circostante. Esistono pochi studi che hanno testato sperimentalmente come si comportano i TI nella vita reale.

Un nuovo studio dell'Università dello Utah ha scoperto che in effetti, quando gli strati isolanti sono sottili quanto 16 quintuple strati atomici, le superfici metalliche superiore e inferiore iniziano a influenzarsi a vicenda e distruggono le loro proprietà metalliche. L'esperimento dimostra che le superfici opposte iniziano a influenzarsi a vicenda in un interno isolante molto più spesso di quanto dimostrato da studi precedenti, forse avvicinandosi a un raro fenomeno teorico in cui anche le superfici metalliche diventano isolanti man mano che l'interno si assottiglia.

"Gli isolanti topologici potrebbero essere un materiale importante nel futuro dell'informatica quantistica. I nostri risultati hanno scoperto una nuova limitazione in questo sistema, " disse Vikram Deshpande, assistente professore di fisica presso l'Università dello Utah e corrispondente autore dello studio. "Le persone che lavorano con gli isolanti topologici devono sapere quali sono i loro limiti. Si scopre che quando ci si avvicina a quel limite, quando queste superfici iniziano a "parlare" tra loro, appare una nuova fisica, che è anche piuttosto bello di per sé."

Il nuovo studio pubblicato il 16 luglio 2019 sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Panini sciatti costruiti con isolanti topologici

Immagina un libro di testo con copertina rigida come un isolante topologico 3-D, disse Deshpande. Il grosso del libro sono le pagine, che è uno strato isolante:non può condurre elettricità. Le stesse copertine rigide rappresentano le superfici metalliche. Dieci anni fa, i fisici scoprirono che queste superfici potevano condurre elettricità, e nacque un nuovo campo topologico.

Deshpande e il suo team hanno creato dispositivi utilizzando TI 3D impilando cinque strati sottili di pochi atomo di vari materiali in strutture sciatte simili a sandwich. Il nucleo centrale del sandwich è l'isolante topologico, composto da pochi strati quintuple di seleniuro di tellurio di antimonio di bismuto (Bi _{2 -X} Sb _X Te _{3 -y} Sey). Questo nucleo è racchiuso da alcuni strati di nitruro di boro, ed è sormontato da due strati di grafite, sopra e sotto. La grafite funziona come cancelli metallici, essenzialmente creando due transistor che controllano la conduttività. L'anno scorso Deshpande ha condotto uno studio che ha dimostrato che questa ricetta topologica ha creato un dispositivo che si comportava come ci si aspetterebbe:isolanti sfusi che proteggono le superfici metalliche dall'ambiente circostante.

In questo studio, hanno manipolato i dispositivi TI 3-D per vedere come cambiavano le proprietà. Primo, hanno costruito le eterostrutture di van der Waal, quei sandwich trasandati, e li hanno esposti a un campo magnetico. Il team di Deshpande ne ha testati molti nel suo laboratorio presso l'Università dello Utah e il primo autore Su Kong Chong, dottorando presso l'U, si è recato al National High Magnetic Field Lab di Tallahassee per eseguire gli stessi esperimenti utilizzando uno dei campi magnetici più alti del paese. In presenza del campo magnetico, dalle superfici metalliche emergeva un motivo a scacchiera, che mostra i percorsi attraverso i quali la corrente elettrica si muoverà sulla superficie. Le scacchiere, costituito da conducibilità quantizzata in funzione delle tensioni sui due gate, sono ben definiti, con la griglia che si interseca in punti di intersezione netti, consentendo ai ricercatori di tracciare qualsiasi distorsione sulla superficie.

Hanno iniziato con lo strato isolante a 100 nanometri di spessore, circa un millesimo del diametro di un capello umano, e si è progressivamente assottigliato fino a 10 nanometri. Il modello ha iniziato a distorcersi fino a quando lo strato isolante non ha raggiunto uno spessore di 16 nanometri, quando i punti di intersezione cominciarono a rompersi, creando uno spazio vuoto che indicava che le superfici non erano più conduttive.

"Essenzialmente, abbiamo trasformato qualcosa di metallico in qualcosa di isolante in quello spazio parametrico. Il punto di questo esperimento è che possiamo cambiare in modo controllabile l'interazione tra queste superfici, " ha detto Deshpande. "Cominciamo con loro che sono completamente indipendenti e metallici, e poi inizia ad avvicinarli sempre di più finché non iniziano a parlare, ' e quando sono davvero vicini, sono essenzialmente spalancati e diventano isolanti."

Precedenti esperimenti nel 2010 e nel 2012 avevano anche osservato il gap energetico sulle superfici metalliche man mano che il materiale isolante si assottigliava. Ma quegli studi hanno concluso che il gap energetico è apparso con strati isolanti molto più sottili, di cinque nanometri. Questo studio ha osservato che le proprietà della superficie metallica si degradano a uno spessore interno molto maggiore, fino a 16 nanometri. Gli altri esperimenti hanno utilizzato diversi metodi di "scienza della superficie" in cui hanno osservato i materiali attraverso un microscopio con una punta metallica molto affilata per osservare ogni atomo individualmente o li hanno studiati con una luce altamente energetica.

"Si trattava di esperimenti estremamente complessi che sono piuttosto lontani dalla creazione di dispositivi che stiamo facendo, " disse Deshpande.

Prossimo, Deshpande e il team esamineranno più da vicino la fisica che crea quel gap energetico sulle superfici. Prevede che queste lacune possono essere positive o negative a seconda dello spessore del materiale.