I fisici della Rice University hanno scoperto un materiale quantistico a cambiamento di fase – e un metodo per trovarne altro simile – che potrebbe essere potenzialmente utilizzato per creare una memoria simile al flash in grado di archiviare bit quantistici di informazioni, o qubit, anche quando un computer quantistico è alimentato. giù.
I materiali a cambiamento di fase sono stati utilizzati nelle memorie digitali non volatili disponibili in commercio. Nei DVD riscrivibili, ad esempio, viene utilizzato un laser per riscaldare minuscoli frammenti di materiale che, raffreddandosi, formano cristalli o grumi amorfi. Due fasi del materiale, che hanno proprietà ottiche molto diverse, vengono utilizzate per memorizzare gli uno e gli zeri dei bit digitali di informazioni.
In uno studio ad accesso libero pubblicato di recente su Nature Communications , Il fisico della Rice Ming Yi e più di tre dozzine di coautori provenienti da una dozzina di istituzioni hanno dimostrato in modo simile che potrebbero usare il calore per alternare un cristallo di ferro, germanio e tellurio tra due fasi elettroniche. In ciascuno di questi, il movimento ristretto degli elettroni produce stati quantistici topologicamente protetti. In definitiva, archiviare qubit in stati topologicamente protetti potrebbe potenzialmente ridurre gli errori legati alla decoerenza che hanno afflitto l'informatica quantistica.
"Questa è stata una vera sorpresa", ha detto Yi della scoperta. "Inizialmente eravamo interessati a questo materiale per le sue proprietà magnetiche. Ma poi effettuavamo una misurazione e vedevamo questa fase, e poi per un'altra misurazione vedevamo l'altra. Nominalmente era lo stesso materiale, ma i risultati erano molto diverso."
Ci sono voluti più di due anni e un lavoro di collaborazione con dozzine di colleghi per decifrare cosa stava succedendo negli esperimenti. I ricercatori hanno scoperto che alcuni campioni di cristalli si erano raffreddati più velocemente di altri quando venivano riscaldati prima degli esperimenti.
A differenza dei materiali utilizzati nella maggior parte delle tecnologie di memoria a cambiamento di fase, Yi e colleghi hanno scoperto che la lega ferro-germanio-tellurio non aveva bisogno di essere fusa e ricristallizzata per cambiare fase. Piuttosto, hanno scoperto che i siti atomici vuoti nel reticolo del cristallo, noti come posti vacanti, erano disposti in schemi ordinati in modo diverso a seconda della velocità con cui il cristallo si raffreddava. Per passare da una fase all'altra, hanno dimostrato che potevano semplicemente riscaldare il cristallo e raffreddarlo per un periodo di tempo più lungo o più breve.
"Se vuoi cambiare l'ordine dei posti vacanti in un materiale, ciò avviene in genere a temperature molto più basse di quelle necessarie per sciogliere il tutto", ha detto Yi.
Ha affermato che pochi studi hanno esplorato come le proprietà topologiche dei materiali quantistici cambiano in risposta ai cambiamenti nell'ordine dei posti vacanti.
"Questa è la scoperta chiave", ha detto riguardo all'ordine di posti vacanti commutabile del materiale. "L'idea di utilizzare l'ordine dei posti vacanti per controllare la topologia è la cosa importante. Questo non è stato ancora esplorato. Le persone generalmente guardano i materiali solo da una prospettiva completamente stechiometrica, il che significa che tutto è occupato da un insieme fisso di simmetrie che portano a un tipo di topologia elettronica. I cambiamenti nell'ordine dei posti vacanti modificano la simmetria del reticolo. Questo lavoro mostra come ciò possa cambiare la topologia elettronica e sembra probabile che l'ordine dei posti vacanti possa essere utilizzato per indurre cambiamenti topologici anche in altri materiali>
Il fisico teorico della Rice, Qimiao Si, coautore dello studio, ha dichiarato:"Trovo sorprendente che i miei colleghi sperimentali riescano a organizzare al volo un cambiamento della simmetria cristallina. Ciò consente una capacità di cambiamento completamente inaspettata e tuttavia pienamente accogliente per la teoria come così come cerchiamo di progettare e controllare nuove forme di topologia attraverso la cooperazione di forti correlazioni e simmetria di gruppi spaziali."
Gli autori principali dello studio sono Han Wu e Lei Chen, entrambi della Rice. Altri coautori della Rice includono Jianwei Huang, Xiaokun Teng, Yucheng Guo, Mason Klemm, Chuqiao Shi, Chandan Setty, Yaofeng Xie, Bin Gao, Junichiro Kono, Pengcheng Dai, Yimo Han e Si. Yi, Dai, Han, Kono e Si sono membri ciascuno della Rice Quantum Initiative e del Rice Center for Quantum Materials.
Lo studio è stato redatto da ricercatori dell'Università di Washington, del Los Alamos National Laboratory, della Kyung Hee University della Corea del Sud, dell'Università della Pennsylvania, della Yale University, dell'Università della California Davis, della Cornell University, dell'Università della California Berkeley, della Stanford University. Laboratorio nazionale dell'acceleratore del Centro acceleratore lineare, Laboratorio nazionale di Brookhaven e Laboratorio nazionale di Lawrence Berkeley.
Ulteriori informazioni: Han Wu et al, Commutazione elettronica non volatile reversibile in un ferromagnete di van der Waals a temperatura prossima a quella ambiente, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46862-z
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dalla Rice University
