La combinazione di materiali può migliorare la superconduttività nell’informatica quantistica

PARCO UNIVERSITARIO, Pennsylvania — Una nuova miscela di materiali, ciascuno con proprietà elettriche speciali, ha tutti gli ingredienti necessari per un tipo unico di superconduttività che potrebbe fornire le basi per un calcolo quantistico più potente. 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 chirali di Majorana, che potrebbero essere un altro elemento promettente per l’informatica quantistica.

Il nuovo studio è apparso online oggi (8 febbraio) in Rivista scientifica. Il lavoro descrive come i ricercatori hanno combinato i due materiali magnetici in quello che descrivono come un passo cruciale verso il raggiungimento della superconduttività interfacciale emergente, su cui stanno attualmente lavorando.

I superconduttori – materiali che non hanno resistenza elettrica – sono ampiamente utilizzati nei circuiti digitali, potenti magneti nella risonanza magnetica (MRI) e 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 le geometrie e le simmetrie specializzate della materia, genera fenomeni elettrici unici nel superconduttore, che possono facilitare la costruzione di computer quantistici topologici.

I computer quantistici hanno la capacità di eseguire calcoli complessi in una frazione del tempo impiegato dai computer classici, perché a differenza dei computer classici che memorizzano i dati come uno o zero, i qubit dei computer quantistici memorizzano i dati simultaneamente in una gamma di stati possibili. I computer quantistici topologici migliorano il calcolo quantistico sfruttando il modo in cui sono organizzate le proprietà elettriche per rendere i computer robusti alla decoerenza, o alla perdita di informazioni che si verifica quando un sistema quantistico non è completamente isolato.

“La creazione di superconduttori topologici chirali è un passo importante verso il calcolo quantistico topologico che può essere ampliato per un uso diffuso”, ha affermato. Cui Zu Chang, Henry W. Knerr Professore all'inizio della carriera e professore associato di fisica alla Penn State e coautore di questo articolo. “La superconduttività topologica chirale richiede tre componenti: superconduttività, ferromagnetismo e una proprietà chiamata ordine topologico. In questo studio, abbiamo prodotto un sistema che contiene queste tre proprietà.”

I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata spettroscopia a fascio molecolare per assemblare un isolante topologico sintetizzato magneticamente e calcogenuro di ferro (FeTe), un promettente metallo di transizione per sfruttare la superconduttività. Un isolante topologico è un ferromagnete, un tipo di magnete i cui elettroni ruotano nello stesso modo, mentre FeTe è un antimagnete, 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 aggregato 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 in quest'area si è concentrato sulla combinazione di superconduttori con isolanti topologici non magnetici. Secondo i ricercatori, l’aggiunta dei ferromagneti è stata particolarmente impegnativa.

“Normalmente, la superconduttività e il ferromagnetismo competono tra loro, quindi è raro trovare una forte superconduttività in un sistema di materiale ferromagnetico”, ha affermato. Zhao Xing Liu, professore di fisica alla Penn State e coautore di questo articolo. “Ma la superconduttività in questo sistema è in realtà molto forte contro il 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 molto interessante perché abbiamo due materiali magnetici non conduttivi, ma li mettiamo insieme e l'interfaccia tra questi due composti produce una superconduttività molto forte”, ha detto Zhang. “Il calcogenuro di ferro è antiferromagnetico e ci aspettiamo che le sue proprietà antiferromagnetiche attorno all’interfaccia si indeboliscano per portare alla superconduttività emergente, ma abbiamo bisogno di più esperimenti e lavoro teorico per convalidare questo e chiarire il meccanismo della superconduttività”.

I ricercatori hanno affermato di ritenere che questo sistema sarà utile nella ricerca di sistemi materiali che mostrino comportamenti simili alle 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 consentire loro di esistere. I qubit quantistici vengono utilizzati nei computer quantistici.

“Fornire la prova sperimentale dell'esistenza del chirale di Majorana sarà un passo cruciale nella creazione di un computer quantistico topologico”, ha affermato Zhang. “Il nostro campo ha avuto un passato difficile nel tentativo di trovare queste particelle sfuggenti, ma crediamo che questa rappresenti una piattaforma promettente per esplorare la fisica di Majorana”.

Oltre a Zhang e Liu, il gruppo di ricerca della Penn State al momento della ricerca includeva il ricercatore post-dottorato Himian Ye; gli studenti laureati Yi-Fan Zhao, Rubing Mei, Zi-Jie Yan, Ling-Jie Zhou, Roxi Zhang, Zihao Wang, Stephen Paolini e Run Xiao; I professori assistenti di ricerca del Materials Research Institute Qi Wang e Anthony Ricciardella; Professore emerito di fisica dell'Università Evan Pugh Moses Chan; Vern M. Willaman Professore di Fisica e Nitin Samarth Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali. Il gruppo di ricerca comprende anche Ying-Ting Chan e Weida Wu della Rutgers University; Jiaqi Cai e Xiaodong Xu presso l'Università di Washington; Xianshen Wu presso l'Accademia Cinese delle Scienze; John Singleton e Laurel Winter presso il National High Magnetic Field Laboratory; Purnima Balakrishnan e Alexander Grutter presso l'Istituto Nazionale di Standard e Tecnologia; Thomas Proksha, Zaher Salman e Andreas Sutter all'Istituto Paul Scherrer in Svizzera.

Questa ricerca è supportata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Ulteriore supporto è stato fornito dalla National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti, dal Materials Science and Engineering Research Center for Nanoscience presso la Penn State, finanziato dalla NSF, dall'Army Research Office, dall'Air Force Office of Scientific Research, dallo Stato della Florida e dagli Stati Uniti Istituto Nazionale delle Scienze. Iniziativa EPiQS della Fondazione Gordon e Betty Moore.