Gli scienziati hanno caratterizzato come gli stati elettronici in un composto contenente ferro, tellurio, e selenio dipendono dalle concentrazioni chimiche locali. Hanno scoperto che la superconduttività (conduzione di elettricità senza resistenza), insieme a correlazioni magnetiche distinte, appare quando la concentrazione locale di ferro è sufficientemente bassa; uno stato elettronico coesistente esistente solo in superficie (stato superficiale topologico) si verifica quando la concentrazione di tellurio è sufficientemente elevata. Segnalato in Materiali della natura , i loro risultati indicano l'intervallo di composizione necessario per la superconduttività topologica. La superconduttività topologica potrebbe consentire un calcolo quantistico più robusto, che promette di fornire aumenti esponenziali della potenza di elaborazione.

"L'informatica quantistica è ancora agli inizi, e una delle sfide chiave è ridurre il tasso di errore dei calcoli, " ha detto il primo autore Yangmu Li, un postdoc nel Neutron Scattering Group della Divisione Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). "Gli errori sorgono come qubit, o bit di informazione quantistica, interagiscono con il loro ambiente. Però, a differenza degli ioni intrappolati o dei qubit allo stato solido come i difetti del punto nel diamante, i qubit superconduttori topologici sono intrinsecamente protetti da parte del rumore. Perciò, potrebbero supportare il calcolo meno incline agli errori. La domanda è, dove possiamo trovare la superconduttività topologica?

In questo studio, gli scienziati hanno ristretto la ricerca in un composto noto per ospitare stati di superficie topologici e parte della famiglia dei superconduttori a base di ferro. In questo ambito, gli stati topologici e superconduttori non sono distribuiti uniformemente su tutta la superficie. Comprendere cosa c'è dietro queste variazioni negli stati elettronici e come controllarle è fondamentale per consentire applicazioni pratiche come il calcolo quantistico topologicamente protetto.

Da ricerche precedenti, il team sapeva che modificare la quantità di ferro avrebbe potuto far passare il materiale da uno stato superconduttore a uno non superconduttore. Per questo studio, il fisico Gendu Gu della Divisione CMPMS ha coltivato due tipi di grandi cristalli singoli, uno con un po' più di ferro rispetto all'altro. Il campione con il contenuto di ferro più elevato non è superconduttore; l'altro campione è superconduttore.

Per capire se la disposizione degli elettroni nella massa del materiale variava tra i campioni superconduttori e non superconduttori, il team si è rivolto allo scattering di neutroni con spin polarizzato. La sorgente di neutroni di spallazione (SNS), situato presso l'Oak Ridge National Laboratory del DOE, ospita uno strumento unico nel suo genere per eseguire questa tecnica.

"La diffusione dei neutroni può dirci i momenti magnetici, o gira, di elettroni e la struttura atomica di un materiale, " ha spiegato l'autore corrispondente, Igor Zaliznyak, un fisico nel gruppo di diffusione dei neutroni della divisione CMPMS che ha guidato il team di Brookhaven che ha aiutato a progettare e installare lo strumento con i collaboratori di Oak Ridge. "Per individuare le proprietà magnetiche degli elettroni, polarizziamo i neutroni usando uno specchio che riflette solo una specifica direzione di spin".

Con loro sorpresa, gli scienziati hanno osservato modelli drasticamente diversi di momenti magnetici degli elettroni nei due campioni. Perciò, la leggera alterazione della quantità di ferro ha causato un cambiamento di stato elettronico.

"Dopo aver visto questo cambiamento drammatico, abbiamo pensato che dovremmo guardare alla distribuzione degli stati elettronici in funzione della composizione chimica locale, ", ha detto Zaliznyak.

Presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven, Li, con il supporto dei membri dello staff CFN Fernando Camino e Gwen Wright, determinato la composizione chimica attraverso pezzi più piccoli rappresentativi di entrambi i tipi di campioni attraverso la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia. In questa tecnica, un campione viene bombardato con elettroni, e vengono rilevati i raggi X emessi caratteristici dei diversi elementi. Hanno anche misurato la resistenza elettrica locale, che indica la coerenza con cui gli elettroni possono trasportare la carica, con sonde elettriche su microscala. Per ogni cristallo, Li ha definito una piccola griglia quadrata (100 per 100 micron). In totale, il team ha mappato la composizione locale e la resistenza a più di 2, 000 luoghi diversi.

"Attraverso gli esperimenti al CFN, abbiamo caratterizzato la chimica e le proprietà generali di conduzione degli elettroni, " ha detto Zaliznyak. "Ma dobbiamo anche caratterizzare le proprietà elettroniche microscopiche, o come gli elettroni si propagano nel materiale, sia in massa che in superficie. La superconduttività indotta negli elettroni che si propagano sulla superficie può ospitare oggetti topologici chiamati modi di Majorana, che sono in teoria uno dei modi migliori per eseguire calcoli quantistici. Le informazioni sulle proprietà elettroniche di massa e di superficie possono essere ottenute attraverso la spettroscopia di fotoemissione".

Per gli esperimenti di spettroscopia di fotoemissione, Zaliznyak e Li hanno contattato Peter Johnson, leader del gruppo di spettroscopia elettronica della divisione CMPMS, e Nader Zaki, un associato scientifico nel gruppo di Johnson. Misurando l'energia e la quantità di moto degli elettroni espulsi dai campioni (utilizzando la stessa griglia spaziale) in risposta alla luce, hanno quantificato le forze degli stati elettronici che si propagano sulla superficie, alla rinfusa, e formando lo stato superconduttore. Adattano quantitativamente gli spettri di fotoemissione a un modello che caratterizza i punti di forza di questi stati.

Quindi, il team ha mappato i punti di forza dello stato elettronico in funzione della composizione locale, essenzialmente costruendo un diagramma di fase.

"Questo diagramma di fase include le transizioni di fase superconduttive e topologiche e indica dove potremmo trovare una composizione chimica utile per i materiali di calcolo quantistico, " disse Li. "Per certe composizioni, non esistono stati elettronici coerenti per sviluppare la superconduttività topologica. Negli studi precedenti, la gente pensava che il guasto dello strumento o l'errore di misurazione fossero il motivo per cui non vedevano le caratteristiche della superconduttività topologica. Qui dimostriamo che è dovuto agli stessi stati elettronici".

"Quando il materiale è vicino alla transizione tra lo stato topologico e non topologico, puoi aspettarti fluttuazioni, " ha aggiunto Zaliznyak. "Affinché la topologia possa sorgere, gli stati elettronici devono essere ben sviluppati e coerenti. Così, dal punto di vista tecnologico, abbiamo bisogno di sintetizzare i materiali lontano dalla linea di transizione".

Prossimo, gli scienziati amplieranno il diagramma di fase per esplorare l'intervallo compositivo nella direzione topologica, concentrandosi su campioni con meno selenio e più tellurio. Stanno anche valutando l'applicazione della diffusione di neutroni per comprendere un gap energetico imprevisto (un intervallo di energia in cui non sono ammessi elettroni) che si apre nello stato superficiale topologico dello stesso composto. Il gruppo di Johnson ha recentemente scoperto questo gap e ha ipotizzato che fosse causato dal magnetismo superficiale.