Fisici dell'Università della California, Irvine e altrove hanno fabbricato nuovi materiali quantistici bidimensionali con attributi elettrici e magnetici innovativi che potrebbero renderli elementi costitutivi dei futuri computer quantistici e di altri dispositivi elettronici avanzati.

In tre studi separati apparsi questo mese in Natura , Progressi scientifici e Materiali della natura , Ricercatori e colleghi dell'UCI dell'UC Berkeley, Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley, Università di Princeton, La Fudan University e l'Università del Maryland hanno esplorato la fisica dietro gli stati 2-D di nuovi materiali e hanno determinato che potevano spingere i computer a nuove vette di velocità e potenza.

I fili comuni che attraversano gli articoli sono che la ricerca viene condotta a temperature estremamente basse e che i portatori di segnale in tutti e tre gli studi non sono elettroni - come con le tradizionali tecnologie a base di silicio - ma fermioni di Dirac o Majorana, particelle senza massa che si muovono quasi alla velocità della luce.

"Finalmente, possiamo prendere esotico, teorie di alto livello in fisica e creare qualcosa di utile, " ha affermato Jing Xia, professore associato di fisica e astronomia dell'UCI, un autore corrispondente su due degli studi. "Stiamo esplorando la possibilità di realizzare computer quantistici topologici [attualmente teorici] per i prossimi 100 anni".

Una delle sfide chiave di tale ricerca è la gestione e l'analisi di campioni di materiale minuscolo, solo due atomi di spessore, diversi micron di lunghezza e pochi micron di diametro. Il laboratorio di Xia all'UCI è dotato di un microscopio interferometrico Sagnac a fibra ottica che ha costruito. (L'unico altro esistente è alla Stanford University, assemblato da Xia quando era uno studente laureato lì.) Chiamandolo il microscopio magnetico più sensibile al mondo, Xia lo paragona a un telescopio che un ornitologo di Irvine potrebbe usare per ispezionare l'occhio di un uccello a New York.

"Questa macchina è lo strumento di misurazione ideale per queste scoperte, " ha detto lo studente laureato UCI Alex Stern, autore principale su due dei documenti. "È il modo più accurato per misurare otticamente il magnetismo in un materiale".

In uno studio che sarà pubblicato il 24 aprile in Natura , i ricercatori dettagliano la loro osservazione - tramite l'interferometro di Sagnac - del magnetismo in una scaglia microscopica di tellururo di cromo germanio. Il composto, che hanno creato, è stato visto a meno 387 gradi Fahrenheit. CGT è un cugino del grafene, un film di carbonio atomico supersottile. Dalla sua scoperta, il grafene è stato considerato un potenziale sostituto del silicio nei computer e in altri dispositivi di nuova generazione a causa della velocità con cui i segnali elettronici si muovono sulla sua superficie quasi perfettamente piana.

Ma c'è un problema:alcuni componenti del computer, come i sistemi di memoria e storage, devono essere realizzati con materiali che hanno proprietà sia elettroniche che magnetiche. Il grafene ha il primo ma non il secondo. CGT ha entrambi.

Il suo laboratorio ha anche utilizzato l'interferometro di Sagnac per uno studio pubblicato su Progressi scientifici esaminando ciò che accade nel momento preciso in cui bismuto e nichel vengono messi in contatto tra loro - sempre a temperatura molto bassa (in questo caso, meno 452 gradi Fahrenheit). Xia ha detto che il suo team ha trovato all'interfaccia tra i due metalli "un superconduttore esotico che rompe la simmetria di inversione del tempo".

"Immagina di tornare indietro nel tempo e una tazza di tè rosso diventa verde. Non renderebbe questo tè molto esotico? Questo è davvero esotico per i superconduttori, " ha detto. "Ed è la prima volta che è stato osservato in materiali 2-D".

I portatori di segnale in questo superconduttore 2-D sono i fermioni di Majorana, che potrebbe essere utilizzato per un'operazione di intrecciatura che i teorici ritengono sia vitale per l'informatica quantistica.

"Il problema ora è cercare di raggiungere questo obiettivo a temperature normali, " Ha detto Xia. Il terzo studio mostra la promessa nel superare questo ostacolo.

Nel 2012, Il laboratorio di Xia ha consegnato alla Defense Advanced Research Projects Agency un oscillatore a radiofrequenza costruito attorno all'esaboruro di samario. La sostanza è un isolante all'interno ma consente alla corrente che trasporta il segnale composta da fermioni di Dirac di fluire liberamente sulla sua superficie 2-D.

Utilizzando uno speciale apparato costruito nel laboratorio di Xia - anche uno degli unici due al mondo - i ricercatori dell'UCI hanno applicato una tensione di trazione al campione di esaboruro di samario e hanno dimostrato nel Materiali della natura studio che potrebbero stabilizzare lo stato superficiale 2-D a meno 27 gradi Fahrenheit.

"Credici o no, fa più caldo di alcune parti del Canada, " Xia ha scherzato. "Questo lavoro è un grande passo avanti verso lo sviluppo di futuri computer quantistici a temperatura quasi ambiente".