La realizzazione sperimentale del grafene ultrasottile - che nel 2010 ha valso a due scienziati di Cambridge il Premio Nobel per la fisica - ha inaugurato una nuova era nella ricerca sui materiali.

Ciò che è iniziato con il grafene si è evoluto per includere numerosi materiali correlati dello spessore di un singolo atomo, che hanno proprietà insolite a causa della loro ultrasottilezza. Tra questi ci sono i dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD), materiali che offrono diverse caratteristiche chiave non disponibili nel grafene e stanno emergendo come semiconduttori di prossima generazione.

I TMD potrebbero realizzare la superconduttività topologica e quindi fornire una piattaforma per il calcolo quantistico - l'obiettivo finale di un gruppo di ricerca della Cornell guidato da Eun-Ah Kim, professore associato di fisica.

"La nostra proposta è molto realistica - ecco perché è eccitante, " Kim ha detto della ricerca del suo gruppo. "Abbiamo una strategia teorica per materializzare un superconduttore topologico... e questo sarà un passo avanti verso la costruzione di un computer quantistico. La storia della superconduttività negli ultimi 100 anni è stata guidata da scoperte accidentali. Abbiamo una proposta basata su solidi principi.

"Invece di sperare in un nuovo materiale che abbia le proprietà che desideri, " lei disse, "perseguiamolo con intuizione e principio di progettazione".

Yi-Ting Hsu, uno studente di dottorato nel gruppo Kim, è autore principale di "Superconduttività topologica nei dichalcogenuri di metalli di transizione monostrato, " pubblicato l'11 aprile in Comunicazioni sulla natura . Altri membri del team includono gli ex studenti del Kim Group Mark Fischer, ora all'ETH di Zurigo in Svizzera, e Abolhassan Vaezi, ora alla Stanford University.

La proposta del gruppo:le proprietà insolite dei TMD favoriscono due stati superconduttori topologici, quale, se confermato sperimentalmente, aprirà la possibilità di manipolare superconduttori topologici a temperature prossime allo zero assoluto.

Kim ha identificato i TMD a strato singolo drogati con foro (potenziato con carica positiva) come un candidato promettente per la superconduttività topologica, basato sul noto bloccaggio speciale tra lo stato di spin e l'energia cinetica degli elettroni (bloccaggio spin-valle) dei TMD a strato singolo, così come le recenti osservazioni sulla superconduttività in TMD a strato singolo drogati con elettroni (con carica negativa).

L'obiettivo del gruppo è un superconduttore che operi a circa 1 grado Kelvin (circa meno 457 Fahrenheit), che potrebbe essere raffreddato con elio liquido sufficientemente per mantenere il potenziale di calcolo quantistico in uno stato superconduttore.

Teoricamente, ospitare un computer quantistico abbastanza potente da giustificare la potenza necessaria per mantenere il superconduttore a 1 grado Kelvin non è fuori discussione, ha detto Kim. Infatti, IBM ha già un computer a 7 qubit (bit quantistico), che opera a meno di 1 Kelvin, disponibile al pubblico attraverso la sua IBM Quantum Experience.

Un computer quantistico con circa sei volte più qubit cambierebbe radicalmente l'informatica, ha detto Kim.

"Se arrivi a 40 qubit, che la potenza di calcolo supererà qualsiasi computer classico là fuori, " ha detto. "E ospitare un [computer quantistico] da 40 qubit a temperatura criogenica non è un grosso problema. Sarà una rivoluzione".

Kim e il suo gruppo stanno lavorando con Debdeep Jena e Grace Xing di ingegneria elettrica e informatica, e Katja Nowack di fisica, attraverso una sovvenzione interdisciplinare del gruppo di ricerca del Cornell Center for Materials Research. Ogni gruppo riunisce ricercatori di diversi dipartimenti, con il supporto sia dell'università che del programma dei centri di ricerca e scienza dei materiali della National Science Foundation.

"Stiamo unendo le competenze ingegneristiche di DJ e Grace, e l'esperienza che Katja ha nei sistemi mesoscopici e nei superconduttori, " Kim ha detto. "Richiede diverse competenze per riunirsi per perseguire questo, e il CCMR lo consente."