Una nuova fusione di materiali, ciascuno con proprietà elettriche speciali, ha tutti i componenti necessari per un tipo unico di superconduttività che potrebbe fornire la base per un calcolo quantistico più robusto. La nuova combinazione di materiali, creata da un team guidato da ricercatori della Penn State, potrebbe anche fornire una piattaforma per esplorare comportamenti fisici simili a quelli di misteriose particelle teoriche note come Majorana chirali, che potrebbero essere un altro componente promettente per l'informatica quantistica. /P>

Il nuovo studio appare sulla rivista Science . Il lavoro descrive come i ricercatori hanno combinato i due materiali magnetici in quello che hanno definito un passo fondamentale verso la realizzazione della superconduttività interfacciale emergente, a cui stanno attualmente lavorando.

I superconduttori, materiali privi di resistenza elettrica, sono ampiamente utilizzati nei circuiti digitali, i potenti magneti nella risonanza magnetica (MRI), negli acceleratori di particelle e in altre tecnologie in cui è fondamentale massimizzare il flusso di elettricità.

Quando i superconduttori vengono combinati con materiali chiamati isolanti topologici magnetici – pellicole sottili spesse solo pochi atomi che sono state rese magnetiche e limitano il movimento degli elettroni verso i loro bordi – le nuove proprietà elettriche di ciascun componente lavorano insieme per produrre “superconduttori topologici chirali”.

La topologia, ovvero geometrie e simmetrie specializzate della materia, genera fenomeni elettrici unici nel superconduttore, che potrebbero facilitare la costruzione di computer quantistici topologici.

I computer quantistici hanno il potenziale per eseguire calcoli complessi in una frazione del tempo necessario ai computer tradizionali perché, a differenza dei computer tradizionali che memorizzano i dati come uno o zero, i bit quantistici dei computer quantistici memorizzano i dati simultaneamente in una gamma di stati possibili.

I computer quantistici topologici migliorano ulteriormente il calcolo quantistico sfruttando il modo in cui sono organizzate le proprietà elettriche per rendere i computer resistenti alla decoerenza, o alla perdita di informazioni che si verifica quando un sistema quantistico non è perfettamente isolato.

"La creazione di superconduttori topologici chirali è un passo importante verso il calcolo quantistico topologico che potrebbe essere ampliato per un ampio utilizzo", ha affermato Cui-Zu Chang, professore di Henry W. Knerr Early Career e professore associato di fisica alla Penn State e co-autore corrispondente di il foglio.

"La superconduttività topologica chirale richiede tre ingredienti:superconduttività, ferromagnetismo e una proprietà chiamata ordine topologico. In questo studio, abbiamo prodotto un sistema con tutte e tre queste proprietà."

I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata epitassia a fascio molecolare per impilare insieme un isolante topologico che è stato reso magnetico e un calcogenuro di ferro (FeTe), un promettente metallo di transizione per sfruttare la superconduttività. L'isolante topologico è un ferromagnete, un tipo di magnete i cui elettroni ruotano nello stesso modo, mentre FeTe è un antiferromagnete, i cui elettroni ruotano in direzioni alternate.

I ricercatori hanno utilizzato una varietà di tecniche di imaging e altri metodi per caratterizzare la struttura e le proprietà elettriche del materiale combinato risultante e hanno confermato la presenza di tutti e tre i componenti critici della superconduttività topologica chirale all'interfaccia tra i materiali.

Il lavoro precedente nel campo si è concentrato sulla combinazione di superconduttori e isolanti topologici non magnetici. Secondo i ricercatori, aggiungere il ferromagnete è stato particolarmente impegnativo.

"Normalmente, la superconduttività e il ferromagnetismo competono tra loro, quindi è raro trovare una solida superconduttività in un sistema di materiale ferromagnetico", ha affermato Chao-Xing Liu, professore di fisica alla Penn State e co-autore corrispondente dell'articolo.

"Ma la superconduttività in questo sistema è in realtà molto resistente al ferromagnetismo. Avresti bisogno di un campo magnetico molto forte per rimuovere la superconduttività."

Il gruppo di ricerca sta ancora esplorando il motivo per cui la superconduttività e il ferromagnetismo coesistono in questo sistema.

"In realtà è piuttosto interessante perché abbiamo due materiali magnetici che non sono superconduttori, ma li mettiamo insieme e l'interfaccia tra questi due composti produce una superconduttività molto robusta", ha detto Chang.

"Il calcogenuro di ferro è antiferromagnetico e prevediamo che la sua proprietà antiferromagnetica venga indebolita attorno all'interfaccia per dare origine alla superconduttività emergente, ma abbiamo bisogno di più esperimenti e lavoro teorico per verificare se questo è vero e per chiarire il meccanismo superconduttore."

I ricercatori hanno affermato di ritenere che questo sistema sarà utile nella ricerca di sistemi materiali che mostrino comportamenti simili a quelli delle particelle di Majorana, particelle subatomiche teoriche ipotizzate per la prima volta nel 1937. Le particelle di Majorana agiscono come la propria antiparticella, una proprietà unica che potrebbe potenzialmente consentire loro di essere utilizzati come bit quantistici nei computer quantistici.

"Fornire prove sperimentali dell'esistenza di Majorana chirale sarà un passo fondamentale nella creazione di un computer quantistico topologico", ha affermato Chang. "Il nostro campo ha avuto un passato difficile nel tentativo di trovare queste particelle sfuggenti, ma riteniamo che questa sia una piattaforma promettente per esplorare la fisica di Majorana."

Ulteriori informazioni: Hemian Yi et al, Superconduttività indotta dall'interfaccia negli isolanti topologici magnetici, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adk1270. www.science.org/doi/10.1126/science.adk1270

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