Los modos de energía cero de Majorana se encuentran en el borde de los superconductores topológicos 2D. Crédito: Alex Tokarev, Ella Maru Studio Aalto University
Nueva investigación, publicada en Naturaleza, ha medido estados cuánticos de Majorana muy buscados.
Un equipo de físicos teóricos y experimentales ha diseñado un nuevo material ultradelgado que han utilizado para crear estados cuánticos elusivos. Llamados modos de energía cero de Majorana unidimensionales, estos estados cuánticos podrían tener un gran impacto para computación cuántica.
En el núcleo de una computadora cuántica hay un qubit, que se utiliza para realizar cálculos de alta velocidad. Los qubits que Google, por ejemplo, en su procesador Sycamore dio a conocer el año pasado, y otros que están usando actualmente son muy sensibles al ruido y las interferencias del entorno de la computadora, lo que introduce errores en los cálculos. Un nuevo tipo de qubit, llamado qubit topológico, podría resolver este problema, y los modos de energía cero 1D Majorana pueden ser la clave para hacerlos.
“Una computadora cuántica topológica se basa en qubits topológicos, que se supone que son mucho más tolerantes al ruido que otros qubits. Sin embargo, los qubits topológicos aún no se han producido en el laboratorio ”, explica el profesor Peter Liljeroth, investigador principal del proyecto.
¿Qué son los MZM?
Los MZM son grupos de electrones unidos de una manera específica, por lo que se comportan como una partícula llamada fermión de Majorana, una partícula semimítica propuesta por primera vez por el físico semimítico Ettore Majorana en la década de 1930. Si las partículas teóricas de Majorana pudieran unirse, funcionarían como un qubit topológico. Una trampa: nunca se ha visto evidencia de su existencia, ni en el laboratorio ni en astronomía. En lugar de intentar hacer una partícula que nadie ha visto en ningún lugar del universo, los investigadores intentan hacer que los electrones regulares se comporten como ellos.
Para hacer MZM, los investigadores necesitan materiales increíblemente pequeños, un área en la que se especializa el grupo del profesor Liljeroth en la Universidad Aalto. Los MZM se forman dando a un grupo de electrones una cantidad muy específica de energía y luego atrapándolos juntos para que no puedan escapar. Para lograr esto, los materiales deben ser bidimensionales y lo más delgados físicamente posible. Para crear MZM 1D, el equipo necesitaba crear un tipo completamente nuevo de material 2D: un superconductor topológico.
La superconductividad topológica es la propiedad que ocurre en el límite de un aislante eléctrico magnético y un superconductor. Para crear 1D MZM, el equipo del profesor Liljeroth necesitaba poder atrapar electrones juntos en un superconductor topológico, sin embargo, no es tan simple como pegar un imán a cualquier superconductor.
“Si coloca la mayoría de los imanes encima de un superconductor, evita que sea un superconductor”, explica el Dr. Shawulienu Kezilebieke, primer autor del estudio. “Las interacciones entre los materiales alteran sus propiedades, pero para fabricar MZM, es necesario que los materiales interactúen solo un poco. El truco consiste en utilizar materiales 2D: interactúan entre sí lo suficiente para crear las propiedades que necesita para los MZM, pero no tanto que se interrumpan entre sí “.
La propiedad en cuestión es el giro. En un material magnético, el espín está alineado en la misma dirección, mientras que en un superconductor el espín está anti-alineado con direcciones alternas. Unir un imán y un superconductor normalmente destruye la alineación y antialineación de los espines. Sin embargo, en materiales en capas 2D, las interacciones entre los materiales son suficientes para “inclinar” los giros de los átomos lo suficiente como para crear el estado de giro específico, llamado acoplamiento Rashba giro-órbita, necesario para hacer los MZM.
Encontrar los MZM
El superconductor topológico en este estudio está hecho de una capa de bromuro de cromo, un material que sigue siendo magnético cuando solo uno-átomo-grueso. El equipo del profesor Liljeroth cultivó islas de bromuro de cromo de un átomo de espesor sobre un cristal superconductor de diselenuro de niobio y midió sus propiedades eléctricas utilizando un microscopio de efecto túnel. En este punto, recurrieron a la experiencia en modelado por computadora del profesor Adam Foster en la Universidad de Aalto y el profesor Teemu Ojanen, ahora en la Universidad de Tampere, para comprender lo que habían hecho.
“Se necesitó mucho trabajo de simulación para demostrar que la señal que estamos viendo fue causada por MZM, y no por otros efectos”, dice el profesor Foster. “Necesitábamos demostrar que todas las piezas encajaban para demostrar que habíamos producido MZM”.
Ahora que el equipo está seguro de que pueden hacer MZM 1D en materiales bidimensionales, el siguiente paso será intentar convertirlos en qubits topológicos. Este paso ha eludido hasta ahora a los equipos que ya han hecho MZM de 0 dimensiones, y el equipo de Aalto no está dispuesto a especular sobre si el proceso será más fácil con los MZM unidimensionales, sin embargo, son optimistas sobre el futuro de los MZM 1D.
“Lo bueno de este artículo es que hemos creado MZM en materiales 2D”, dijo el profesor Liljeroth. “En principio, son más fáciles de hacer y más fáciles de personalizar las propiedades y, en última instancia, convertirlos en un dispositivo utilizable”.
Referencia: “Superconductividad topológica en una heteroestructura de van der Waals” por Shawulienu Kezilebieke, Md Nurul Huda, Viliam Vaňo, Markus Aapro, Somesh C. Ganguli, Orlando J. Silveira, Szczepan Głodzik, Adam S. Foster, Teemu Ojanen y Peter Liljeroth, 16 de diciembre de 2020, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2989-y
La colaboración de investigación incluyó a investigadores de la Universidad de Tampere en Finlandia y la Universidad M.Curie-Sklodowska en Polonia.
El trabajo se llevó a cabo utilizando la infraestructura de investigación OtaNano. OtaNano proporciona un entorno de trabajo y equipos de vanguardia para la investigación de nanociencia y tecnología, y tecnologías cuánticas en Finlandia. OtaNano es operado por la Universidad Aalto y VTT, y está disponible para usuarios académicos y comerciales a nivel internacional.
