Da quando ha ricevuto una sovvenzione di 25 milioni di dollari nel 2019 per diventare la prima fonderia quantistica della National Science Foundation (NSF), I ricercatori della UC Santa Barbara affiliati alla fonderia hanno lavorato per sviluppare materiali in grado di abilitare tecnologie basate sull'informazione quantistica per applicazioni come l'informatica quantistica, comunicazioni, rilevamento, e simulazione.

Potrebbero averlo fatto.

In un nuovo documento, pubblicato sulla rivista Materiali della natura , Stephen Wilson, co-direttore della fonderia e professore di materiali della UCSB, e numerosi coautori, compresi i principali collaboratori della Princeton University, studiare un nuovo materiale sviluppato nella Quantum Foundry come candidato superconduttore, un materiale in cui scompare la resistenza elettrica e vengono espulsi i campi magnetici, che potrebbe essere utile nel futuro calcolo quantistico.

Un precedente articolo pubblicato dal gruppo di Wilson sulla rivista Lettere di revisione fisica e presentato in Fisica rivista ha descritto un nuovo materiale, antimonide di cesio vanadio (CsV ₃ Sb ₅ ), che mostra una sorprendente miscela di caratteristiche che coinvolgono un modello auto-organizzato di carica intrecciato con uno stato superconduttore. La scoperta è stata fatta da Elings Postdoctoral Fellow Brenden R. Ortiz. Come risulta, Wilson ha detto, queste caratteristiche sono condivise da una serie di materiali correlati, compreso RbV ₃ Sb ₅ e KV ₃ Sb ₅ , quest'ultimo (una miscela di potassio, vanadio e antimonio) essendo oggetto di questo articolo più recente, intitolato "Scoperta dell'ordine di carica chirale non convenzionale nel superconduttore kagome KV ₃ Sb ₅ ."

Materiali in questo gruppo di composti, Wilson ha notato, "si prevede che ospiteranno un'interessante fisica delle onde di densità di carica [cioè, i loro elettroni si auto-organizzano in uno schema non uniforme attraverso i siti metallici nel composto]. La natura peculiare di questo modello auto-organizzato di elettroni è al centro del lavoro attuale".

Questo stato d'onda di densità di carica previsto e altra fisica esotica derivano dalla rete di ioni di vanadio (V) all'interno di questi materiali, che formano una rete di triangoli che condividono gli angoli nota come reticolo kagome. KV ₃ Sb ₅ è stato scoperto essere un metallo raro costruito da piani reticolari di kagome, uno che è anche superconduttore. Alcune delle altre caratteristiche del materiale hanno portato i ricercatori a ipotizzare che le cariche al suo interno possano formare minuscoli circuiti di corrente che creano campi magnetici locali.

Gli scienziati e i fisici dei materiali hanno da tempo previsto che si potrebbe realizzare un materiale che mostrerebbe un tipo di ordine delle onde di densità di carica che rompe quella che viene chiamata simmetria di inversione del tempo. "Ciò significa che ha un momento magnetico, o un campo, ad esso associato, "Ha detto Wilson. "Puoi immaginare che ci siano alcuni schemi sul reticolo kagome in cui la carica si muove in un piccolo anello. Quel ciclo è come un ciclo di corrente, e ti darà un campo magnetico. Un tale stato sarebbe un nuovo stato elettronico della materia e avrebbe importanti conseguenze per la sottostante superconduttività non convenzionale".

Il ruolo del gruppo di Wilson era quello di realizzare il materiale e caratterizzarne le proprietà di massa. Il team di Princeton ha quindi utilizzato la microscopia a scansione a effetto tunnel (STM) ad alta risoluzione per identificare ciò che credono siano le firme di un tale stato, quale, Wilson ha detto, "si ipotizza che esistano anche in altri superconduttori anomali, come quelli che superconducono ad alta temperatura, anche se non è stato definitivamente dimostrato."

STM funziona scansionando una punta di filo metallico molto affilata su una superficie. Avvicinando molto la punta alla superficie e applicando una tensione elettrica alla punta o al campione, la superficie può essere visualizzata fino alla scala di risoluzione dei singoli atomi e dove si raggruppano gli elettroni. Nel documento i ricercatori descrivono di vedere e analizzare un modello di ordine nella carica elettronica, che cambia quando viene applicato un campo magnetico. Questo accoppiamento con un campo magnetico esterno suggerisce uno stato d'onda di densità di carica che crea il proprio campo magnetico.

Questo è esattamente il tipo di lavoro per il quale è stata fondata la Quantum Foundry. "Il contributo della fonderia è importante, " Wilson ha detto. "Ha svolto un ruolo di primo piano nello sviluppo di questi materiali, e i ricercatori della fonderia hanno scoperto la superconduttività in essi e poi hanno trovato firme che indicano che potrebbero possedere un'onda di densità di carica. Ora, i materiali sono studiati in tutto il mondo, perché hanno vari aspetti che interessano molte comunità diverse.

"Sono interessanti, ad esempio, alle persone nell'informazione quantistica come potenziali superconduttori topologici, " ha continuato. "Sono di interesse per le persone che studiano la nuova fisica nei metalli topologici, perché potenzialmente ospitano interessanti effetti di correlazione, definito come gli elettroni che interagiscono tra loro, e questo è potenzialmente ciò che fornisce la genesi di questo stato d'onda di densità di carica. E interessano le persone che perseguono la superconduttività ad alta temperatura, perché hanno elementi che sembrano legarli ad alcune delle caratteristiche viste in quei materiali, anche se KV ₃ Sb ₅ superconduttori a una temperatura piuttosto bassa."

Se KV ₃ Sb ₅ risulta essere ciò che si sospetta di essere, potrebbe essere usato per rendere utile un qubit topologico nelle applicazioni di informazione quantistica. Ad esempio, Wilson ha detto, "Nel fare un computer topologico, si vuole realizzare qubit la cui performance è esaltata dalle simmetrie nel materiale, il che significa che non tendono a decoereggiare [la decoerenza degli stati quantici entangled fugaci è uno dei principali ostacoli nell'informatica quantistica] e quindi hanno una ridotta necessità di correzione degli errori convenzionali.

"Ci sono solo alcuni tipi di stati che puoi trovare che possono fungere da qubit topologico, e un superconduttore topologico dovrebbe ospitarne uno, " ha aggiunto. "Tali materiali sono rari. Questo sistema può essere di interesse per questo, ma è tutt'altro che confermato, ed è difficile confermare se lo sia o meno. C'è ancora molto da fare per comprendere questa nuova classe di superconduttori".