Incluso las supercomputadoras más rápidas tienen dificultades con ciertas tareas complejas, como el descubrimiento de nuevos medicamentos o la ruptura de sistemas de encriptación avanzados. Las computadoras cuánticas podrían algún día abordar estos desafíos, pero dependen de materiales raros conocidos como superconductores topológicos, que son extremadamente difíciles de crear y controlar.
Investigadores de la Universidad de Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) y la Universidad de Virginia Occidental han demostrado ahora una forma práctica de acercar estos materiales. Al ajustar ligeramente una fórmula química, pudieron alterar la forma en que grandes cantidades de electrones interactúan dentro del material, guiándolo hacia un estado superconductor topológico.
El equipo se centró en películas ultrafinas hechas de dos elementos, telurio y selenio. Al cambiar cuidadosamente la proporción de estos elementos, descubrieron que podían pasar el material de una fase cuántica a otra, incluida la codiciada fase de superconductor topológico.
Sus resultados, publicados en Nature Communications, muestran que la modificación de la relación telurio-selenio cambia la fuerza con la que los electrones se influyen mutuamente. Estas correlaciones electrónicas actúan como un mecanismo de ajuste fino, que permite a los científicos diseñar deliberadamente estados cuánticos inusuales.
“Podemos ajustar este efecto de correlación como un dial”, dijo Haoran Lin, estudiante de posgrado de UChicago PME y primer autor del nuevo trabajo. “Si las correlaciones son demasiado fuertes, los electrones se congelan en su lugar. Si son demasiado débiles, el material pierde sus propiedades topológicas especiales. Pero en el nivel justo, se obtiene un superconductor topológico”.
“Esto abre una nueva dirección para la investigación de materiales cuánticos”, dijo Shuolong Yang, profesor asistente de ingeniería molecular y autor principal del nuevo trabajo. “Hemos desarrollado una herramienta poderosa para diseñar el tipo de materiales que necesitarán las computadoras cuánticas de próxima generación”.
Telururo de Selenio de Hierro y Efectos Cuánticos Competitivos
El material en el centro del estudio, telururo de selenio de hierro, fue descubierto relativamente recientemente y se sabe que combina la superconductividad con un comportamiento topológico inusual.
“Este es un material único porque reúne todos los ingredientes esenciales que uno esperaría en una plataforma para la superconductividad topológica: la superconductividad en sí, un fuerte acoplamiento espín-órbita y correlaciones electrónicas pronunciadas”, dijo Subhasish Mandal, profesor asistente de física en la Universidad de Virginia Occidental y autor del nuevo documento. “Esta combinación lo convierte en un sistema ideal para explorar cómo interactúan y compiten diferentes efectos cuánticos”.
Anteriormente, los científicos produjeron este material en forma de cristal masivo y observaron estados cuánticos intrigantes. Sin embargo, los cristales masivos son difíciles de manipular y su composición química puede variar de una región a otra, lo que dificulta la obtención de resultados consistentes.
Películas Delgadas para Dispositivos Cuánticos Estables
Los superconductores topológicos son especialmente atractivos para las tecnologías cuánticas porque sus estados topológicos son naturalmente estables y menos vulnerables al ruido que interrumpe la mayoría de los sistemas cuánticos.
Las películas ultrafinas desarrolladas por el grupo de Yang ofrecen varias ventajas sobre otros candidatos a superconductores topológicos. Operan a temperaturas de hasta 13 Kelvin, en comparación con aproximadamente 1 Kelvin para las plataformas basadas en aluminio. Esta temperatura de funcionamiento más alta facilita su enfriamiento utilizando sistemas estándar de helio líquido. Además, las películas delgadas proporcionan una mayor uniformidad y son más compatibles con las técnicas modernas de fabricación de dispositivos que los cristales masivos.
“Si estás tratando de usar este material para una aplicación real, necesitas poder cultivarlo en una película delgada en lugar de intentar exfoliar capas de una roca que podría no tener una composición consistente en todas partes”, explicó Lin.
Varios equipos de investigación ya están trabajando con el grupo de Yang para diseñar estas películas y construir prototipos de dispositivos cuánticos. Al mismo tiempo, los investigadores continúan investigando otras características del telururo de selenio de hierro en película delgada para comprender mejor su potencial para la computación cuántica de próxima generación.
