Fili molto sottili costituiti da un isolante topologico potrebbero consentire qubit altamente stabili, i mattoni dei futuri computer quantistici. Gli scienziati vedono un nuovo risultato nei dispositivi isolanti topologici come un passo importante verso la realizzazione del potenziale della tecnologia.

Un gruppo internazionale di scienziati ha dimostrato che i fili più di 100 volte più sottili di un capello umano possono agire come una via quantistica a senso unico per gli elettroni se realizzati con un materiale particolare noto come isolante topologico.

La scoperta apre la strada a nuove applicazioni tecnologiche di dispositivi realizzati con isolanti topologici e dimostra un passo significativo sulla strada per il raggiungimento dei cosiddetti qubit topologici, che è stato previsto possano codificare in modo robusto le informazioni per un computer quantistico.

Per raggiungere questo risultato, i gruppi della Professoressa Dr. Jelena Klinovaja e del Professor Dr. Daniel Loss dell'Università di Basilea hanno collaborato strettamente con i fisici sperimentali dell'Università di Colonia nel gruppo del Professor Dr. Yoichi Ando. Il loro studio è stato ora pubblicato su Nature Nanotechnology .

Gli isolanti topologici sono materiali in cui una combinazione di meccanica quantistica e il concetto matematico di topologia producono superfici conduttive e interni isolanti. Gli isolanti topologici sono candidati molto promettenti per le tecnologie future e come potenziali piattaforme per l'informatica quantistica.

I ricercatori sono stati in grado di dimostrare che, nelle giuste circostanze, le correnti elettriche possono fluire più facilmente in una direzione rispetto all'altra, un processo noto come rettifica. La rettifica offre un'ampia gamma di applicazioni e costituisce la base della maggior parte delle tecnologie wireless.

I raddrizzatori che si trovano negli smartphone, ad esempio, sono ora realizzati con diodi a semiconduttore. Tuttavia, l'attuale effetto di rettifica scoperto nei nanofili isolanti topologici deriva dalla meccanica quantistica ed è estremamente controllabile.

Di solito, gli effetti di rettifica quantistica sorgono come risultato di qualcosa noto come accoppiamento spin-orbita, che è un mix di meccanica quantistica e teoria della relatività di Einstein. Come ci si potrebbe aspettare, quello strano mix normalmente si traduce in piccoli effetti di rettifica.

"La cosa fantastica dei nanofili isolanti topologici è che possiamo produrre artificialmente essenzialmente la stessa fisica ma con una grandezza molto maggiore", afferma il dottor Henry Legg, borsista post-dottorato Georg H. Endress presso l'Università di Basilea e primo autore dell'articolo. "Questo porta a un effetto di rettifica davvero enorme rispetto ad altri materiali. È anche uno degli aspetti che rende gli isolanti topologici così interessanti per le applicazioni nell'informatica quantistica."

Oltre la legge di Ohm

La legge di Ohm afferma che la corrente che scorre attraverso un dispositivo è governata dalla caduta di tensione ai suoi capi e da una quantità nota come resistenza. Tuttavia, quando è in gioco la meccanica quantistica, la legge di Ohm a volte deve essere corretta.

In particolare, se un materiale o un dispositivo non ha lo stesso aspetto quando tutte le sue proprietà spaziali sono specchiate - la cosiddetta simmetria di inversione spaziale rotta - l'applicazione di un campo magnetico significa che la versione quantistica della legge di Ohm consente alla corrente di fluire più facilmente in una direzione rispetto alle altre. La dimensione della rettifica di corrente è determinata dalla differenza tra le resistenze in ciascuna direzione.

L'alto grado di controllo possibile nei dispositivi isolanti topologici ha permesso al team di ricercatori di ottenere un effetto di rettifica davvero gigantesco rispetto a quanto osservato in precedenza.

Informazioni quantistiche solide

I computer quantistici promettono una potenza di calcolo senza precedenti, ma sono molto suscettibili all'influenza dell'ambiente esterno. Una soluzione proposta alla fragilità delle unità quantistiche di informazione, i cosiddetti qubit, sono i qubit topologici, che si prevede saranno molto più stabili rispetto alle influenze dell'ambiente esterno. Questa protezione deriva anche dalla matematica della topologia che sta alla base delle proprietà degli isolanti topologici.

Gli isolanti topologici sono stati a lungo considerati buoni candidati come base per i computer quantistici topologici. Tuttavia, un buon controllo sui dispositivi isolanti topologici è essenziale per poter produrre qubit topologici.

"Il nostro studio non solo ha scoperto un effetto quantistico unico e molto ampio, ma mostra anche che abbiamo un eccellente grado di comprensione di ciò che sta accadendo in questi sistemi. Sembra che tutte le proprietà chiave degli isolanti topologici siano lì per andare avanti sul percorso per creare qubit topologici", afferma la professoressa Dr. Jelena Klinovaja dell'Università di Basilea. + Esplora ulteriormente

Primo bit quantistico ibrido basato su isolanti topologici