Scienziati della Tsinghua University e dell'Istituto di Fisica, Accademia Cinese delle Scienze di Pechino, hanno dimostrato la capacità di controllare gli stati della materia, controllando così la resistenza interna, all'interno multistrato, semiconduttori drogati magneticamente che utilizzano l'effetto Hall anomalo quantistico.

L'effetto Hall anomalo quantistico (QAH) si verifica in alcuni materiali appositamente progettati in cui gli elettroni possono spostarsi a una distanza di una scala millimetrica senza perdere la loro energia. La capacità di applicare questo effetto ai dispositivi consentirebbe una nuova rivoluzione nell'efficienza energetica e nella velocità di calcolo.

In uno studio pubblicato sulla rivista Lettere di fisica cinese , i ricercatori affermano di aver fabbricato un materiale artificiale che potrebbe essere utilizzato per sviluppare un computer quantistico topologico utilizzando l'epitassia a fascio molecolare, una nuova tecnica che consente l'impilamento di strati di cristallo dello spessore di una singola molecola, e sfruttando l'effetto QAH.

Un computer quantistico sfrutta la capacità delle particelle subatomiche di trovarsi in più stati contemporaneamente, invece del binario uno o zero visto nei computer convenzionali, consentendo loro di risolvere determinati tipi di problemi in modo molto più efficiente. Il computer quantistico topologico sarebbe un passo oltre. Invece di particelle fisiche, usano un tipo specifico di quasiparticella chiamata anyon per codificare l'informazione. È stato riscontrato che gli anyon sono altamente resistenti agli errori sia nell'archiviazione che nell'elaborazione delle informazioni.

"Possiamo realizzare multistrati QAH, o una pila di strati multipli di reticoli cristallini che stanno sperimentando l'effetto QAH, con diversi film drogati magneticamente distanziati da strati isolanti di seleniuro di cadmio. Poiché lo facciamo per epitassia a fascio molecolare, è facile controllare le proprietà di ogni strato per guidare il campione in diversi stati, "dice Ke He, professore all'Università Tsinghua. Il seleniuro di cadmio è una molecola costituita da un atomo di cadmio e un atomo di selenio utilizzata come semiconduttore; un materiale le cui proprietà conduttive i ricercatori possono modificare aggiungendo impurità.

La capacità di produrre multistrati di cristalli sottili consente l'inserimento di un film isolante tra gli strati che conducono elettricità, impedendo l'interazione indesiderata degli elettroni tra i fogli, in modo simile a come cerchiamo di evitare che i fili si incrocino nell'elettronica. Questi tipi di strutture sono molto interessanti da studiare perché forzano alcuni degli elettroni in quello che viene chiamato uno "stato limite" che, fino ad ora, erano piuttosto difficili da fabbricare. Questo "stato limite" funge da percorso per il flusso di una frazione degli elettroni senza alcuna resistenza. Avendo molti strati impilati uno sopra l'altro, l'effetto viene amplificato spingendo una frazione maggiore degli elettroni in questo stato.

"Regolando gli spessori degli strati QAH e degli strati isolanti di seleniuro di cadmio, possiamo guidare il sistema in un semimetallo Weyl magnetico, uno stato della materia che finora non è mai stato dimostrato in modo convincente nei materiali naturali."

Un semimetallo Weyl è uno stato esotico della materia classificato come un cristallo allo stato solido che, osservato per la prima volta nel luglio 2015. Conduce elettricità utilizzando i fermioni di Weyl privi di massa anziché gli elettroni. Questa significativa differenza di massa tra i fermioni di Weyl e gli elettroni consente all'elettricità di fluire attraverso i circuiti in modo più efficace, consentendo dispositivi più veloci.

"Ora, ciò che mi interessa di più è costruire doppi strati QAH controllabili in modo indipendente. Se potessimo ottenere una coppia di stati edge contro-propaganti, mettendo un contatto superconduttore sul bordo del campione, i due stati limite potrebbero legarsi insieme a causa del contatto superconduttore, portando alle modalità Majorana che possono essere utilizzate per costruire un computer quantistico topologico."

Si pensa che le modalità Majorana siano utilizzabili nel codice di correzione degli errori quantistici, una proprietà unica dei computer quantistici topologici, e una parte essenziale della teoria dell'informazione utilizzata per ridurre gli errori naturali nella trasmissione dei dati e per contrastare gli effetti delle interferenze. Questo processo potrebbe anche offrire la possibilità di elaborare le informazioni quantistiche e archiviarle in modo più efficace in futuro.