Un team di fisici teorici e sperimentali ha progettato un nuovo materiale ultrasottile che hanno utilizzato per creare stati quantistici sfuggenti. Chiamate modalità unidimensionali a energia zero di Majorana, questi stati quantistici potrebbero avere un enorme impatto per l'informatica quantistica.

Al centro di un computer quantistico c'è un qubit, che viene utilizzato per eseguire calcoli ad alta velocità. I qubit che Google, Per esempio, nel suo processore Sycamore presentato lo scorso anno, e altri stanno attualmente utilizzando sono molto sensibili al rumore e alle interferenze dall'ambiente circostante del computer, che introduce errori nei calcoli. Un nuovo tipo di qubit, chiamato qubit topologico, potrebbe risolvere questo problema, e le modalità a energia zero Majorana 1D possono essere la chiave per realizzarli. "Un computer quantistico topologico si basa su qubit topologici, che dovrebbero essere molto più tolleranti al rumore rispetto ad altri qubit. Però, i qubit topologici non sono ancora stati prodotti in laboratorio, " spiega il professor Peter Liljeroth, il ricercatore capo del progetto.

Cosa sono gli MZM?

Gli MZM sono gruppi di elettroni legati insieme in un modo specifico in modo che si comportino come una particella chiamata fermione di Majorana, una particella semi-mitica proposta per la prima volta dal fisico semi-mitico Ettore Majorana negli anni '30. Se le particelle teoriche di Majorana potessero essere legate insieme, funzionerebbero come un qubit topologico. Un problema:nessuna prova della loro esistenza è mai stata vista, sia in laboratorio che in astronomia. Invece di tentare di creare una particella che nessuno ha mai visto da nessuna parte nell'universo, i ricercatori invece cercano di far sì che gli elettroni normali si comportino come loro.

Per creare MZM, i ricercatori hanno bisogno di materiali incredibilmente piccoli, un'area in cui è specializzato il gruppo del professor Liljeroth all'Università di Aalto. Gli MZM si formano dando a un gruppo di elettroni una quantità di energia molto specifica, e poi intrappolarli insieme in modo che non possano scappare. Per realizzare questo, i materiali devono essere bidimensionali, e il più sottile fisicamente possibile. Per creare MZM 1D, il team aveva bisogno di creare un tipo completamente nuovo di materiale 2-D:un superconduttore topologico.

La superconduttività topologica è la proprietà che si verifica al confine tra un isolante elettrico magnetico e un superconduttore. Per creare MZM 1D, Il team del professor Liljeroth doveva essere in grado di intrappolare insieme gli elettroni in un superconduttore topologico, tuttavia non è così semplice come attaccare un magnete a un superconduttore.

"Se metti la maggior parte dei magneti sopra un superconduttore, gli impedisci di essere un superconduttore, " spiega il dottor Shawulienu Kezilebieke, il primo autore dello studio. "Le interazioni tra i materiali interrompono le loro proprietà, ma per fare MZM, hai bisogno che i materiali interagiscano solo un po'. Il trucco è utilizzare materiali 2D:interagiscono tra loro quanto basta per ottenere le proprietà necessarie per gli MZM, ma non tanto da disturbarsi a vicenda."

L'immobile in questione è lo spin. In un materiale magnetico, lo spin è allineato tutto nella stessa direzione, mentre in un superconduttore lo spin è anti-allineato con direzioni alternate. Mettere insieme un magnete e un superconduttore di solito distrugge l'allineamento e l'anti-allineamento degli spin. Però, nei materiali stratificati 2-D le interazioni tra i materiali sono appena sufficienti per "inclinare" gli spin degli atomi abbastanza da creare lo stato di spin specifico, chiamato accoppiamento spin-orbita Rashba, necessari per realizzare gli MZM.

Trovare gli MZM

Il superconduttore topologico in questo studio è costituito da uno strato di bromuro di cromo, un materiale che è ancora magnetico quando è spesso solo un atomo. La squadra del professor Liljeroth ha coltivato isole spesse un atomo di bromuro di cromo sopra un cristallo superconduttore di diseleniuro di niobio, e misurato le loro proprietà elettriche utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel. A questo punto, si sono rivolti alle competenze di modellazione al computer del professor Adam Foster dell'Università di Aalto e del professor Teemu Ojanen, ora all'Università di Tampere, per capire cosa avevano fatto.

"C'era molto lavoro di simulazione necessario per dimostrare che il segnale che stiamo vedendo era causato da MZM, e non altri effetti, " dice il professor Foster. "Avevamo bisogno di dimostrare che tutti i pezzi combaciavano per dimostrare che avevamo prodotto MZM".

Ora il team è sicuro di poter realizzare MZM 1D in materiali bidimensionali, il prossimo passo sarà tentare di trasformarli in qubit topologici. Finora questo passaggio è sfuggito ai team che hanno già realizzato MZM 0-dimensionali, e il team di Aalto non è disposto a speculare su se il processo sarà più semplice con MZM unidimensionali, tuttavia sono ottimisti sul futuro degli MZM 1D.

"La parte interessante di questo documento è che abbiamo realizzato MZM in materiali 2-D, " ha affermato il professor Liljeroth "In linea di principio sono più facili da realizzare e più facili da personalizzare le proprietà di, e infine trasformarlo in un dispositivo utilizzabile."

La carta, Superconduttività topologica in un'eterostruttura di van der Waals, è stato pubblicato il 17 dicembre in Natura .