Nel regno quantistico, gli elettroni possono raggrupparsi per comportarsi in modi interessanti. Il magnetismo è uno di questi comportamenti che vediamo nella nostra vita quotidiana, così come i più rari fenomeni di superconduttività. intrigante, questi due comportamenti sono spesso antagonisti, il che significa che l'esistenza di uno di essi spesso distrugge l'altro. Però, se questi due stati quantistici opposti sono costretti a coesistere artificialmente, appare uno stato sfuggente chiamato superconduttore topologico, il che è entusiasmante per i ricercatori che cercano di creare qubit topologici.

I qubit topologici sono interessanti come una delle potenziali tecnologie per i futuri computer quantistici. In particolare, i qubit topologici forniscono la base per il calcolo quantistico topologico, il che è interessante perché è molto meno sensibile alle interferenze provenienti dall'ambiente circostante che perturbano le misurazioni. Però, la progettazione e il controllo dei qubit topologici è rimasto un problema criticamente aperto, in definitiva per la difficoltà di reperire materiali in grado di ospitare questi stati, come i superconduttori topologici.

Per superare l'inafferrabilità dei superconduttori topologici, che sono notevolmente difficili da trovare nei materiali naturali, i fisici hanno sviluppato metodologie per progettare questi stati combinando materiali comuni. Gli ingredienti di base per progettare i superconduttori topologici, il magnetismo e la superconduttività, spesso richiedono la combinazione di materiali notevolmente diversi. Cosa c'è di più, la creazione di un materiale superconduttore topologico richiede la capacità di sintonizzare con precisione il magnetismo e la superconduttività, quindi i ricercatori devono dimostrare che il loro materiale può essere sia magnetico che superconduttivo allo stesso tempo, e che possono controllare entrambe le proprietà. Nella loro ricerca di tale materiale, i ricercatori si sono rivolti al grafene.

Il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio, rappresenta un materiale altamente controllabile e comune ed è stato considerato uno dei materiali critici per le tecnologie quantistiche. Però, la coesistenza di magnetismo e superconduttività è rimasta sfuggente nel grafene, nonostante gli sforzi sperimentali di lunga data che hanno dimostrato l'esistenza di questi due stati indipendentemente. Questa limitazione fondamentale rappresenta un ostacolo critico verso lo sviluppo della superconduttività topologica artificiale nel grafene.

In un recente esperimento rivoluzionario, ricercatori dell'UAM in Spagna, CNRS in Francia, e INL in Portogallo, insieme al supporto teorico del Prof. Jose Lado presso l'Università di Aalto, hanno dimostrato un primo passo lungo un percorso verso i qubit topologici nel grafene. I ricercatori hanno dimostrato che singoli strati di grafene possono ospitare magnetismo e superconduttività simultanei, misurando le eccitazioni quantistiche uniche di questa interazione. Questa scoperta rivoluzionaria è stata ottenuta combinando il magnetismo dei domini cristallini nel grafene, e la superconduttività delle isole metalliche depositate.

"Questo esperimento mostra che due ordini quantistici paradigmatici chiave, superconduttività, e magnetismo, possono coesistere contemporaneamente nel grafene, " ha detto il professor Jose Lado, "In definitiva, questo esperimento dimostra che il grafene può ospitare contemporaneamente gli ingredienti necessari per la superconduttività topologica. Mentre nell'attuale esperimento non abbiamo ancora osservato la superconduttività topologica, basandoci su questo esperimento possiamo potenzialmente aprire una nuova strada verso i qubit topologici basati sul carbonio".

I ricercatori hanno indotto la superconduttività nel grafene depositando un'isola di un superconduttore convenzionale vicino ai bordi dei grani, cuciture che formano naturalmente nel grafene che hanno proprietà magnetiche leggermente diverse dal resto del materiale. È stato dimostrato che la superconduttività e il magnetismo del bordo del grano danno origine agli stati di Yu-Shiba-Rusinov, che può esistere in un materiale solo quando il magnetismo e la superconduttività coesistono insieme. I fenomeni osservati dal team nell'esperimento corrispondevano al modello teorico sviluppato dal professor Lado, dimostrando che i ricercatori possono controllare completamente i fenomeni quantistici nel loro sistema ibrido di progettazione.

La dimostrazione degli stati di Yu-Shiba-Rusinov nel grafene è il primo passo verso lo sviluppo definitivo dei qubit topologici basati sul grafene. In particolare, controllando attentamente gli stati di Yu-Shiba-Rusinov, si possono creare superconduttività topologica e stati di Majorana. I qubit topologici basati sugli stati di Majorana possono potenzialmente superare drasticamente i limiti degli attuali qubit, proteggere le informazioni quantistiche sfruttando la natura di questi stati non convenzionali. L'emergere di questi stati richiede un controllo meticoloso dei parametri del sistema. L'attuale esperimento stabilisce il punto di partenza critico verso questo obiettivo, che può essere costruito per aprire, si spera, una strada dirompente ai computer quantistici topologici basati sul carbonio.