6Te₁₀, que se muestra aquí en púrpura (telurio), azul (bismuto) y verde (manganeso), puede actuar como un aislante topológico magnético, conduciendo la corriente eléctrica (azul) a lo largo de una "carretera cuántica" sin perder energía. El estudio reveló que una acción concertada de diferentes defectos materiales es clave para las propiedades electrónicas cuánticas. Crédito: Universidad de Chicago”>

6Te₁₀, que se muestra aquí en púrpura (telurio), azul (bismuto) y verde (manganeso), puede actuar como un aislante topológico magnético, conduciendo la corriente eléctrica (azul) a lo largo de una "carretera cuántica" sin perder energía. El estudio reveló que una acción concertada de diferentes defectos materiales es clave para las propiedades electrónicas cuánticas. Crédito: Universidad de Chicago” width=”800″ height=”494″>

Investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago han descubierto un nuevo material, MnBi₆Te₁₀, que se puede utilizar para crear autopistas cuánticas a lo largo de las cuales se pueden mover los electrones. Estas vías de electrones son potencialmente útiles para conectar los componentes internos de computadoras cuánticas potentes y de bajo consumo.

Cuándo electrones se mueven a través de los cables de metal tradicionales, pierden una pequeña cantidad de energía, como calor, y algunas de sus propiedades intrínsecas cambian. Por lo tanto, estos cables no se pueden usar para conectar partes de computadoras cuánticas que codifican datos en las propiedades cuánticas de los electrones.

En el nuevo trabajo, publicado en la revista Nano Letters, los investigadores detallaron cómo MnBi₆Te₁₀ actúa como un "aislante topológico magnético", transportando electrones alrededor de su perímetro mientras mantiene la energía y las propiedades cuánticas de los electrones.

“Hemos descubierto un material que tiene el potencial de abrir la autopista cuántica para que los electrones fluyan sin disipación”, dijo Asst. Prof. Shuolong Yang, quien dirigió la investigación. "Este es un hito importante hacia la ingeniería de computadoras cuánticas topológicas".

Conexiones cuánticas

Las computadoras cuánticas almacenan datos en qubits, una unidad básica de información que exhibe propiedades cuánticas, incluida la superposición. Al mismo tiempo, los investigadores trabajan para desarrollar dispositivos que conecten dichos qubits, a veces en forma de electrones individuales, también necesitan nuevos materiales que puedan transmitir la información almacenada en estos qubits.

Los físicos teóricos han propuesto que los electrones podrían transmitirse entre qubits topológicos forzando a los electrones a fluir en un canal de conducción unidimensional en el borde de un material. Los intentos anteriores de hacer esto requerían temperaturas extremadamente bajas que no eran factibles para la mayoría de las aplicaciones.

“La razón por la que decidimos investigar este material en particular es que pensamos que funcionaría a una temperatura mucho más realista”, dijo Yang.

El grupo de Yang comenzó a estudiar MnBi₆Te₁₀, usando manganeso para introducir magnetización al semiconductor formado por bismuto y telurio. Mientras que los electrones fluyen aleatoriamente por el interior de la mayoría de los semiconductores, la campo magnético en MnBi₆Te₁₀ fuerza a todos los electrones en una sola línea en el exterior del material.

Los investigadores del PME obtuvieron MnBi₆Te₁₀ que había sido fabricado por colaboradores del 2D Crystal Consortium en la Universidad Estatal de Pensilvania, dirigido por Zhiqiang Mao. Luego, el equipo utilizó una combinación de dos enfoques:espectroscopia de fotoemisión de resolución angular y microscopio de transmisión por electrones (TEM): para estudiar exactamente cómo los electrones dentro de MnBi₆Te₁₀ se comportaba y cómo el movimiento de los electrones variaba con los estados magnéticos. Los experimentos TEM se realizaron en colaboración con el laboratorio de Nasim Alem de la Universidad Estatal de Pensilvania.

Defectos deseados

Cuando estaban probando las propiedades de MnBi₆Te₁₀, una cosa desconcertó al equipo de investigación al principio: algunas piezas del material parecían funcionar bien como aislantes topológicos magnéticos, mientras que otras no.

“Algunos de ellos tenían las propiedades electrónicas deseadas y otros no, y lo interesante fue que era muy difícil notar la diferencia en sus estructuras”, dijo Yang. "Vimos lo mismo cuando hicimos mediciones estructurales como la difracción de rayos X, por lo que fue un poco misterioso".

Sin embargo, a través de sus experimentos TEM, revelaron que todas las piezas de MnBi₆Te₁₀ que funcionaba tenía algo en común: defectos en forma de falta de manganeso esparcidos por todo el material. Otros experimentos demostraron que, de hecho, estos defectos eran necesarios para impulsar el estado magnético y permitir el flujo de electrones.

“Un valor muy alto de este trabajo es que, por primera vez, descubrimos cómo ajustar estos defectos para habilitar las propiedades cuánticas”, dijo Yang.

Los investigadores ahora están buscando nuevos métodos para cultivar MnBi₆Te₁₀ cristales en el laboratorio, además de probar lo que sucede con las versiones bidimensionales ultrafinas del material.