Nuevas estructuras híbridas podrían allanar el camino hacia computadoras cuánticas más estables: un estudio muestra que la fusión de un aislante topológico con un superconductor monocapa podría respaldar la superconductividad topológica teorizada

Inicio > Prensa > Las nuevas estructuras híbridas podrían allanar el camino hacia computadoras cuánticas más estables: un estudio muestra que la fusión de un aislante topológico con un superconductor monocapa podría respaldar la superconductividad topológica teórica

Usando una técnica conocida como epitaxia de haz molecular, los investigadores de Penn State han sintetizado estructuras híbridas de solo unos pocos átomos de espesor que son una buena plataforma para la exploración de una forma inusual de superconductividad llamada superconductividad topológica. Las estructuras están compuestas por una película aislante topológica de Bi2Se3 y una monocapa superconductora de NbSe2 (estructuras de bandas electrónicas que se muestran en el panel superior) y demuestran un cambio de un tipo de superconductividad llamado tipo Ising a un tipo diferente llamado tipo Rashba (panel inferior) . Crédito: Yi et al. Materiales de la naturaleza.

Abstracto:
Una nueva forma de combinar dos materiales con propiedades eléctricas especiales, un superconductor monocapa y un aislante topológico, proporciona la mejor plataforma hasta la fecha para explorar una forma inusual de superconductividad llamada superconductividad topológica. La combinación podría proporcionar la base para computadoras cuánticas topológicas que sean más estables que sus contrapartes tradicionales.

Las nuevas estructuras híbridas podrían allanar el camino hacia computadoras cuánticas más estables: un estudio muestra que la fusión de un aislante topológico con un superconductor monocapa podría respaldar la superconductividad topológica teorizada

Parque universitario, Pensilvania | Publicado el 28 de octubre de 2022

Los superconductores, utilizados en potentes imanes, circuitos digitales y dispositivos de imágenes, permiten que la corriente eléctrica pase sin resistencia, mientras que los aislantes topológicos son películas delgadas de solo unos pocos átomos de espesor que restringen el movimiento de los electrones en sus bordes, lo que puede resultar en propiedades únicas. . Un equipo dirigido por investigadores de Penn State describe cómo han emparejado los dos materiales en un artículo que aparece el 27 de octubre en la revista Nature Materials.

“El futuro de la computación cuántica depende de un tipo de material que llamamos superconductor topológico, que se puede formar combinando un aislante topológico con un superconductor, pero el proceso real de combinar estos dos materiales es un desafío”, dijo Cui-Zu Chang. , Henry W. Knerr Profesor de Carrera Temprana y Profesor Asociado de Física en Penn State y líder del equipo de investigación. "En este estudio, utilizamos una técnica llamada epitaxia de haz molecular para sintetizar películas de aislante topológico y superconductor y crear una heteroestructura bidimensional que es una excelente plataforma para explorar el fenómeno de la superconductividad topológica".

En experimentos anteriores para combinar los dos materiales, la superconductividad en películas delgadas generalmente desaparece una vez que se crece una capa de aislante topológico en la parte superior. Los físicos han podido agregar una película aislante topológica a un superconductor "a granel" tridimensional y conservar las propiedades de ambos materiales. Sin embargo, las aplicaciones para superconductores topológicos, como chips con bajo consumo de energía dentro de computadoras cuánticas o teléfonos inteligentes, deberían ser bidimensionales.

En este artículo, el equipo de investigación apiló una película aislante topológica hecha de seleniuro de bismuto (Bi2Se3) con diferentes espesores en una película superconductora hecha de monocapa de diseleniuro de niobio (NbSe2), lo que dio como resultado un producto final bidimensional. Al sintetizar las heteroestructuras a temperaturas muy bajas, el equipo pudo conservar las propiedades topológicas y superconductoras.

"En los superconductores, los electrones forman 'pares de Cooper' y pueden fluir sin resistencia, pero un fuerte campo magnético puede romper esos pares", dijo Hemian Yi, investigador postdoctoral en el Grupo de Investigación Chang en Penn State y primer autor del artículo. . “La película superconductora monocapa que usamos es conocida por su 'superconductividad tipo Ising', lo que significa que los pares de Cooper son muy robustos contra los campos magnéticos en el plano. También esperaríamos que la fase superconductora topológica formada en nuestras heteroestructuras sea robusta de esta manera”.

Al ajustar sutilmente el grosor del aislante topológico, los investigadores descubrieron que la heteroestructura cambiaba de superconductividad de tipo Ising, donde el espín del electrón es perpendicular a la película, a otro tipo de superconductividad llamada "superconductividad de tipo Rashba", donde el espín del electrón es paralelo a la película. Este fenómeno también se observa en los cálculos teóricos y simulaciones de los investigadores.

Esta heteroestructura también podría ser una buena plataforma para la exploración de los fermiones de Majorana, una partícula esquiva que contribuiría de manera importante a hacer que una computadora cuántica topológica sea más estable que sus predecesoras.

“Esta es una excelente plataforma para la exploración de superconductores topológicos, y tenemos la esperanza de encontrar evidencia de superconductividad topológica en nuestro trabajo continuo”, dijo Chang. "Una vez que tengamos pruebas sólidas de la superconductividad topológica y demostremos la física de Majorana, este tipo de sistema podría adaptarse a la computación cuántica y otras aplicaciones".

Además de Chang y Yi, el equipo de investigación de Penn State incluye a Lun-Hui Hu, Yuanxi Wang, Run Xiao, Danielle Reifsnyder Hickey, Chengye Dong, Yi-Fan Zhao, Ling-Jie Zhou, Ruoxi Zhang, Antony Richardella, Nasim Alem , Joshua Robinson, Moses Chan, Nitin Samarth y Chao-Xing Liu. El equipo también incluye a Jiaqi Cai y Xiaodong Xu de la Universidad de Washington.

Este trabajo fue apoyado principalmente por Penn State MRSEC for Nanoscale Science y también parcialmente respaldado por la National Science Foundation, el Departamento de Energía, la Universidad del Norte de Texas y la Fundación Gordon y Betty Moore.

####

Para obtener más información, por favor haga clic esta página

Contactos:
Gail McCormick
Penn State
Oficina: 814-863 0901-

Derechos de autor © Penn State

Si tienes un comentario, por favor Contacto con nosotros.

Los emisores de comunicados de prensa, no 7th Wave, Inc. o Nanotechnology Now, son los únicos responsables de la precisión del contenido.

Marcador: