In una nuova ricerca pubblicata sul Journal of American Chemical Society , Daniel Shoemaker, professore di scienza dei materiali e ingegneria di Urbana Champaign all'Università dell'Illinois, e lo studente laureato Zachary Riedel hanno utilizzato i calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT) per identificare possibili composti di europio (Eu) da utilizzare come nuova piattaforma di memoria quantistica.

Hanno anche sintetizzato uno dei composti previsti, un nuovissimo materiale stabile all'aria che è un forte candidato per l'uso nella memoria quantistica, un sistema per immagazzinare stati quantistici di fotoni o altre particelle entangled senza distruggere le informazioni contenute in quella particella. /P>

"Il problema che stiamo cercando di affrontare è trovare un materiale in grado di immagazzinare tali informazioni quantistiche per un lungo periodo. Un modo per farlo è utilizzare ioni di metalli delle terre rare", afferma Shoemaker.

Trovato in fondo alla tavola periodica, gli elementi delle terre rare, come l’europio, hanno mostrato risultati promettenti per l’uso nei dispositivi di informazione quantistica grazie alle loro strutture atomiche uniche. Nello specifico, gli ioni delle terre rare hanno molti elettroni densamente raggruppati vicino al nucleo dell'atomo.

L'eccitazione di questi elettroni, dallo stato di riposo, può "vivere" a lungo:secondi o forse anche ore, un'eternità nel mondo dell'informatica. Tali stati di lunga durata sono cruciali per evitare la perdita di informazioni quantistiche e posizionare gli ioni delle terre rare come forti candidati per i qubit, le unità fondamentali dell'informazione quantistica.

"Normalmente nell'ingegneria dei materiali è possibile accedere a un database e trovare quale materiale noto dovrebbe funzionare per una particolare applicazione", spiega Shoemaker. "Ad esempio, le persone hanno lavorato per oltre 200 anni per trovare materiali adeguati, leggeri e ad alta resistenza per diversi veicoli. Ma nell'informazione quantistica, ci stiamo lavorando solo da un decennio o due, quindi la popolazione dei materiali è in realtà molto piccola." , e ti ritrovi rapidamente in un territorio chimico sconosciuto."

Shoemaker e Riedel impongono alcune regole nella ricerca di possibili nuovi materiali. Innanzitutto, volevano utilizzare la configurazione ionica Eu ³⁺ (a differenza dell'altra configurazione possibile, Eu ²⁺ ) perché funziona alla giusta lunghezza d'onda ottica. Per essere "scritti" otticamente, i materiali devono essere trasparenti.

In secondo luogo, volevano un materiale composto da altri elementi che avessero un solo isotopo stabile. Gli elementi con più di un isotopo producono una miscela di diverse masse nucleari che vibrano a frequenze leggermente diverse, confondendo le informazioni memorizzate.

In terzo luogo, volevano un’ampia separazione tra i singoli ioni europio per limitare le interazioni involontarie. Senza separazione, le grandi nubi di elettroni di europio si comporterebbero come una chioma di foglie in una foresta, piuttosto che come alberi ben distanziati in un quartiere suburbano, dove il fruscio delle foglie di un albero interagirebbe dolcemente con le foglie di un altro. /P>

Con queste regole in atto, Riedel ha composto uno screening computazionale DFT per prevedere quali materiali potrebbero formarsi. A seguito di questo screening, Riedel è stato in grado di identificare nuovi candidati composti europei e, inoltre, è stato in grado di sintetizzare il suggerimento principale dall'elenco, l'alogenuro di perovskite doppia Cs₂ NaEuF₆ . Questo nuovo composto è stabile all’aria, il che significa che può essere integrato con altri componenti, una proprietà fondamentale nell’informatica quantistica scalabile. I calcoli DFT hanno previsto anche molti altri possibili composti che devono ancora essere sintetizzati.

"Abbiamo dimostrato che ci sono ancora molti materiali sconosciuti da realizzare che sono buoni candidati per l'archiviazione di informazioni quantistiche", afferma Shoemaker. "E abbiamo dimostrato che possiamo realizzarli in modo efficiente e prevedere quali saranno stabili."

Daniel Shoemaker è anche un affiliato del Materials Research Laboratory (MRL) e dell'Illinois Quantum Information Science and Technology Center (IQUIST) presso UIUC. Zachary Riedel è attualmente un ricercatore post-dottorato presso il Los Alamos National Laboratory.