Abbiamo già trovato molti superconduttori, ma questa stravagante illustrazione mostra perché le nuove proprietà di un superconduttore possono renderlo particolarmente utile. I superconduttori più conosciuti sono singoletti di spin, trovato sull'isola a sinistra. Ditellururo di uranio, però, è una rara tripletta di spin, trovato sull'isola a destra, ed esiste anche in cima a una montagna che rappresenta la sua insolitamente alta resistenza ai campi magnetici. Queste proprietà possono renderlo un buon materiale per realizzare qubit, che potrebbe mantenere la coerenza in un computer quantistico nonostante le interferenze dall'ambiente circostante. Credito:Natasha Hanacek/NIST
Un materiale potenzialmente utile per la costruzione di computer quantistici è stato portato alla luce presso il National Institute of Standards and Technology (NIST), i cui scienziati hanno scoperto un superconduttore che potrebbe aggirare uno dei principali ostacoli che si frappongono a circuiti logici quantistici efficaci.
Proprietà recentemente scoperte nel composto ditelluride di uranio, o UTe 2 , mostrare che potrebbe rivelarsi altamente resistente a una delle nemesi dello sviluppo dei computer quantistici:la difficoltà di effettuare gli interruttori di archiviazione della memoria di un computer di questo tipo, chiamati qubit, funzioneranno abbastanza a lungo da finire un calcolo prima di perdere il delicato rapporto fisico che permette loro di operare come gruppo. Questa relazione, chiamata coerenza quantistica, è difficile da mantenere a causa dei disturbi del mondo circostante.
L'insolita e forte resistenza del composto ai campi magnetici lo rende un uccello raro tra i materiali superconduttori (SC), che offrono vantaggi distinti per la progettazione di qubit, principalmente la loro resistenza agli errori che possono facilmente insinuarsi nella computazione quantistica. UTe 2 i comportamenti eccezionali potrebbero renderlo attraente per la nascente industria dei computer quantistici, secondo Nick Butch del gruppo di ricerca.
"Questo è potenzialmente il silicio dell'era dell'informazione quantistica, " disse Butch, un fisico presso il Centro NIST per la ricerca sui neutroni (NCNR). "Potresti usare il ditelluride di uranio per costruire i qubit di un efficiente computer quantistico".
Risultati della ricerca del team, che comprende anche scienziati dell'Università del Maryland e dell'Ames Laboratory, apparire oggi sul giornale Scienza . I loro dettagli di carta UTe 2 le proprietà non comuni, che sono interessanti dal punto di vista sia dell'applicazione tecnologica che della scienza fondamentale.
Uno di questi è il modo insolito in cui gli elettroni conducono l'elettricità attraverso UTe 2 partner. In filo di rame o qualche altro conduttore ordinario, gli elettroni viaggiano come singole particelle, ma in tutte le SC formano le cosiddette coppie di Cooper. Le interazioni elettromagnetiche che causano questi accoppiamenti sono responsabili della superconduttività del materiale. La spiegazione di questo tipo di superconduttività prende il nome di teoria BCS dai tre scienziati che hanno scoperto gli accoppiamenti (e hanno condiviso il premio Nobel per questo).
Ciò che è particolarmente importante per questo accoppiamento di Cooper è una proprietà che hanno tutti gli elettroni. Conosciuto come "spin quantistico, " fa sì che gli elettroni si comportino come se ciascuno di essi fosse attraversato da una piccola barra magnetica. Nella maggior parte delle SC, gli elettroni accoppiati hanno i loro spin quantistici orientati in un unico modo:un elettrone punta verso l'alto, mentre il suo partner punta verso il basso. Questo accoppiamento opposto è chiamato singoletto di spin.
Un piccolo numero di superconduttori conosciuti, anche se, sono anticonformisti, e UTe 2 sembra essere tra questi. Le loro coppie Cooper possono avere i loro giri orientati in una delle tre combinazioni, facendoli girare triplette. Queste combinazioni consentono agli spin della coppia di Cooper di essere orientati in parallelo piuttosto che in opposizione. Si prevede che la maggior parte delle SC a tripletto di spin siano anche SC "topologiche", con una proprietà molto utile in cui la superconduttività si verificherebbe sulla superficie del materiale e rimarrebbe superconduttiva anche di fronte a disturbi esterni.
"Queste coppie di spin parallele potrebbero aiutare il computer a rimanere funzionante, " Butch ha detto. "Non può schiantarsi spontaneamente a causa delle fluttuazioni quantistiche".
Tutti i computer quantistici fino a questo punto avevano bisogno di un modo per correggere gli errori che si insinuano dall'ambiente circostante. È stato a lungo inteso che le SC hanno vantaggi generali come base per i componenti dei computer quantistici, e diversi recenti progressi commerciali nello sviluppo di computer quantistici hanno coinvolto circuiti realizzati con superconduttori. Le proprietà di una SC topologica, che un computer quantistico potrebbe impiegare, avrebbero il vantaggio aggiuntivo di non richiedere la correzione degli errori quantistici.
"Vogliamo una SC topologica perché ti darebbe qubit privi di errori. Potrebbero avere vite molto lunghe, " Butch ha detto. "Gli SC topologici sono una via alternativa al calcolo quantistico perché proteggerebbero il qubit dall'ambiente".
Il team si è imbattuto in UTe 2 mentre esplori i magneti a base di uranio, le cui proprietà elettroniche possono essere modificate a piacimento modificandone la chimica, pressione o campo magnetico:una funzione utile da avere quando si desiderano materiali personalizzabili. (Nessuno di questi parametri si basa sulla radioattività. Il materiale contiene "uranio impoverito, " che è solo leggermente radioattivo. Qubit realizzati con UTe 2 sarebbe minuscolo, e potrebbero essere facilmente schermati dal loro ambiente dal resto del computer.)
Il team non si aspettava che il composto possedesse le proprietà scoperte.
"UTe 2 era stato creato per la prima volta negli anni '70, e anche articoli di ricerca abbastanza recenti lo hanno descritto come insignificante, " Butch ha detto. "Ci è capitato di fare un po' di UTe 2 mentre sintetizzavamo materiali correlati, quindi l'abbiamo testato a temperature più basse per vedere se forse qualche fenomeno poteva essere stato trascurato. Ci siamo subito resi conto che avevamo qualcosa di molto speciale tra le mani".
Il team del NIST ha iniziato a esplorare UTe 2 con strumenti specializzati sia presso l'NCNR che presso l'Università del Maryland. Hanno visto che diventa superconduttore a basse temperature (inferiori a -271,5 gradi Celsius, o 1,6 Kelvin). Le sue proprietà superconduttrici assomigliavano a quelle di rari superconduttori che sono anche ferromagnetici contemporaneamente, agendo come magneti permanenti a bassa temperatura. Ancora, curiosamente, UTe 2 di per sé non è ferromagnetico.
"Questo rende UTe 2 fondamentalmente nuovo solo per questo motivo, " disse Butch.
È anche molto resistente ai campi magnetici. Tipicamente un campo distruggerà la superconduttività, ma a seconda della direzione in cui viene applicato il campo, UTe 2 può resistere a campi fino a 35 tesla. Questo è 3, 500 volte più forte di un tipico magnete da frigorifero, e molte volte più di quanto possa sopportare la maggior parte delle SC topologiche a bassa temperatura.
Sebbene il team non abbia ancora dimostrato in modo conclusivo che UTe 2 è un SC topologico, Butch dice che questa insolita resistenza ai forti campi magnetici significa che deve essere una SC tripletta di spin, e quindi è probabile che sia anche una SC topologica. Questa resistenza potrebbe anche aiutare gli scienziati a comprendere la natura di UTe 2 e forse la stessa superconduttività.
"Esplorarlo ulteriormente potrebbe darci un'idea di ciò che stabilizza queste SC a spin parallelo, " ha detto. "Uno degli obiettivi principali della ricerca SC è essere in grado di comprendere la superconduttività abbastanza bene da sapere dove cercare materiali SC non ancora scoperti. In questo momento non possiamo farlo. Che dire di loro è essenziale? Speriamo che questo materiale ci dica di più".
Lo studio è pubblicato sulla rivista Scienza .
