I fisici statunitensi e tedeschi hanno trovato prove sorprendenti che uno dei fenomeni più famosi della fisica moderna, l'effetto Hall quantistico, si "reincarna" in superconduttori topologici che potrebbero essere utilizzati per costruire computer quantistici tolleranti ai guasti.

La scoperta del 1980 dell'effetto Hall quantistico ha dato il via allo studio degli ordini topologici, stati elettronici con modelli "protetti" di entanglement quantistico a lungo raggio che sono notevolmente robusti. La stabilità di questi stati protetti è estremamente interessante per l'informatica quantistica, che utilizza l'entanglement quantistico per archiviare ed elaborare le informazioni.

In uno studio pubblicato online questo mese in Revisione fisica X ( PRX ), fisici teorici della Rice University, l'Università della California, Berkeley (UC Berkeley), e il Karlsruhe Institute of Technology (KIT) a Karlsruhe, Germania, ha presentato una forte evidenza numerica per un sorprendente legame tra le fasi 2-D e 3-D della materia topologica. L'effetto Hall quantistico è stato scoperto nei materiali 2-D, e i laboratori di tutto il mondo sono in corsa per realizzare superconduttori topologici 3D per l'informatica quantistica.

"In questo lavoro abbiamo dimostrato che una particolare classe di superconduttori topologici 3-D dovrebbe esibire 'pile di energia' di stati elettronici 2-D sulle loro superfici, ", ha affermato il coautore di Rice Matthew Foster, professore associato di fisica e astronomia e membro del Rice Center for Quantum Materials (RCQM). "Ciascuno di questi stati sovrapposti è una robusta 'reincarnazione' di un singolo, stato molto speciale che si verifica nell'effetto Hall quantistico 2-D."

L'effetto Hall quantistico è stato misurato per la prima volta in materiali bidimensionali. Foster utilizza un'analogia di "percolazione" per aiutare a visualizzare le strane somiglianze tra ciò che si verifica negli esperimenti di sala quantistica 2-D e i modelli computazionali 3-D dello studio.

"Immaginate un foglio di carta con una mappa di aspre vette e valli, e poi immagina cosa succede mentre riempi d'acqua quel paesaggio, " disse. "L'acqua sono i nostri elettroni, e quando il livello del fluido è basso, hai solo laghi isolati di elettroni. I laghi sono scollegati l'uno dall'altro, e gli elettroni non possono condurre attraverso la massa. Se il livello dell'acqua è alto, hai isole isolate, e in questo caso le isole sono come gli elettroni, e inoltre non si ottiene la conduzione di massa."

Nell'analogia di Foster il paesaggio aspro è il potenziale elettrico del materiale 2-D, e il livello di robustezza corrisponde alla quantità di impurità nel sistema. Il livello dell'acqua rappresenta "l'energia di Fermi, " un concetto in fisica che si riferisce al livello di riempimento degli elettroni in un sistema. I bordi della mappa cartacea sono analoghi ai bordi 1D che circondano il materiale 2-D.

"Se si aggiunge acqua e si regola il livello del fluido proprio nel punto in cui si hanno piccoli ponti d'acqua che collegano i laghi e piccoli ponti di terra che collegano le isole, allora è facile viaggiare per acqua o per terra, " Disse Foster. "Questa è la soglia di percolazione, che corrisponde alla transizione tra stati topologici nella sala quantistica. Questo è lo speciale stato 2-D nella sala quantistica.

"Se aumenti di più il livello del fluido, ora gli elettroni sono intrappolati in isole isolate, e penseresti, 'Bene, Ho la stessa situazione che avevo prima, senza conduzione.' Ma, al passaggio speciale, uno degli stati elettronici si è staccato fino al bordo. L'aggiunta di più fluido non rimuove lo stato del bordo, che può girare intorno all'intero campione, e niente può fermarlo."

L'analogia descrive la relazione tra la robusta conduzione del bordo e la messa a punto di massa attraverso la speciale transizione nell'effetto Hall quantistico. Nello studio PRX, Foster e i coautori Björn Sbierski di UC Berkeley e Jonas Karcher di KIT hanno studiato sistemi topologici 3-D che sono simili ai paesaggi 2-D nell'analogia.

"Le cose interessanti in questi sistemi 3D si verificano anche solo al confine, " ha detto Foster. "Ma ora i nostri confini non sono stati limite 1D, sono superfici 2-D."

Usando "calcoli numerici a forza bruta degli stati della superficie, "Sbierski, Karcher e Foster hanno trovato un collegamento tra lo stato critico di Hall quantistica 2-D e i sistemi 3-D. Come lo stato del bordo 1D che persiste al di sopra dell'energia di transizione nei materiali della sala quantistica 2D, i calcoli hanno rivelato uno stato limite 2-D persistente nei sistemi 3-D. E non solo uno stato 2-D; è esattamente lo stesso stato di percolazione 2-D che dà origine a stati di bordo di Hall quantistica 1D.

"Quella che era una transizione di fase quantistica topologica messa a punto in 2-D è stata 'reincarnata' come stato superficiale generico per una massa dimensionale più elevata, " Ha detto Foster. "Nel 2018 studio, il mio gruppo ha individuato una connessione analoga tra un diverso, tipo più esotico di effetto Hall quantistico 2-D e gli stati superficiali di un'altra classe di superconduttori topologici 3-D. Con questa nuova prova, ora siamo fiduciosi che ci sia una profonda ragione topologica per queste connessioni, ma al momento la matematica resta oscura».

I superconduttori topologici devono ancora essere realizzati sperimentalmente, ma i fisici stanno cercando di crearli aggiungendo impurità agli isolanti topologici. Questo processo, noto come doping, è stato ampiamente utilizzato per realizzare altri tipi di superconduttori non convenzionali da isolanti sfusi.

"Ora abbiamo le prove che tre delle cinque fasi topologiche 3-D sono legate a fasi 2-D che sono versioni dell'effetto Hall quantistico, e tutte e tre le fasi 3-D potrebbero essere realizzate in "superconduttori topologici, '", ha detto Foster.

Foster ha affermato che la saggezza convenzionale nella fisica della materia condensata è stata che i superconduttori topologici ospiterebbero ciascuno solo uno stato superficiale 2-D protetto e tutti gli altri stati sarebbero influenzati negativamente dalle inevitabili imperfezioni nei materiali allo stato solido utilizzati per realizzare i superconduttori.

Ma Sbierski, I calcoli di Karcher e Foster suggeriscono che non è così.

"Nella sala quantistica, puoi sintonizzarti ovunque e ottenere comunque questo robusto plateau in conduttanza, a causa degli stati del bordo 1D, " Ha detto Foster. "Il nostro lavoro suggerisce che è anche il caso in 3-D. Vediamo pile di stati critici a diversi livelli di energia, e tutti loro sono protetti da questa strana reincarnazione dello stato di transizione della sala quantistica 2-D."

Gli autori hanno anche posto le basi per un lavoro sperimentale per verificare i loro risultati, elaborare dettagli su come dovrebbero apparire gli stati superficiali delle fasi 3-D in varie sonde sperimentali.

"Forniamo 'impronte digitali' statistiche precise per gli stati superficiali delle fasi topologiche, " Disse Foster. "Le effettive funzioni d'onda sono casuali, a causa del disordine, ma le loro distribuzioni sono universali e corrispondono alla transizione di Hall quantistica."