A realização experimental do grafeno ultrafino - que rendeu a dois cientistas de Cambridge o Prêmio Nobel de Física em 2010 - deu início a uma nova era na pesquisa de materiais.

O que começou com o grafeno evoluiu para incluir vários materiais relacionados com a espessura de um único átomo, que têm propriedades incomuns devido à sua ultrafina. Entre eles estão os dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), materiais que oferecem vários recursos principais não disponíveis no grafeno e estão emergindo como semicondutores de próxima geração.

TMDs podem realizar supercondutividade topológica e, assim, fornecer uma plataforma para computação quântica - o objetivo final de um grupo de pesquisa Cornell liderado por Eun-Ah Kim, professor associado de física.

"Nossa proposta é muito realista - por isso é empolgante, "Kim disse sobre a pesquisa de seu grupo." Temos uma estratégia teórica para materializar um supercondutor topológico ... e isso será um passo em direção à construção de um computador quântico. A história da supercondutividade nos últimos 100 anos foi liderada por descobertas acidentais. Temos uma proposta baseada em princípios sólidos.

"Em vez de esperar por um novo material que tenha as propriedades que você deseja, " ela disse, "vamos atrás disso com o princípio do insight e do design."

Yi-Ting Hsu, um estudante de doutorado no Grupo Kim, é o autor principal de "Supercondutividade topológica em dichalcogenetos de metais de transição em monocamada, "publicado em 11 de abril em Nature Communications . Outros membros da equipe incluem o ex-aluno do Kim Group Mark Fischer, agora na ETH Zurique na Suíça, e Abolhassan Vaezi, agora na Universidade de Stanford.

A proposta do grupo:As propriedades incomuns dos TMDs favorecem dois estados supercondutores topológicos, que, se confirmado experimentalmente, irá abrir possibilidades para a manipulação de supercondutores topológicos em temperaturas próximas do zero absoluto.

Kim identificou TMDs dopados com furo (com carga positiva) de camada única como um candidato promissor para supercondutividade topológica, com base no bloqueio especial conhecido entre o estado de spin e a energia cinética dos elétrons (bloqueio de vale de spin) de TMDs de camada única, bem como as observações recentes da supercondutividade em TMDs dopados com elétrons (intensificados com carga negativa) de camada única.

O objetivo do grupo é um supercondutor que opere a cerca de 1 grau Kelvin (aproximadamente menos 457 Fahrenheit), que poderia ser resfriado com hélio líquido o suficiente para manter o potencial de computação quântica em um estado supercondutor.

Teoricamente, alojar um computador quântico poderoso o suficiente para justificar a energia necessária para manter o supercondutor a 1 grau Kelvin não está fora de questão, Kim disse. Na verdade, A IBM já tem um computador de 7 qubit (bit quântico), que opera a menos de 1 Kelvin, disponível ao público por meio de sua experiência IBM Quantum.

Um computador quântico com aproximadamente seis vezes mais qubits mudaria fundamentalmente a computação, Kim disse.

"Se você chegar a 40 qubits, que o poder de computação excederá qualquer computador clássico lá fora, "disse ela." E alojar um computador quântico de 40 qubit em temperatura criogênica não é grande coisa. Será uma revolução. "

Kim e seu grupo estão trabalhando com Debdeep Jena e Grace Xing da engenharia elétrica e da computação, e Katja Nowack de física, por meio de uma bolsa inicial de grupo de pesquisa interdisciplinar do Cornell Center for Materials Research. Cada grupo reúne pesquisadores de diferentes departamentos, com o apoio da universidade e do programa de Centros de Engenharia e Pesquisa de Materiais da National Science Foundation.

"Estamos combinando a experiência de engenharia de DJ e Grace, e experiência que Katja tem em sistemas mesoscópicos e supercondutores, "Kim disse." É necessário conhecimento diferente para se unir para buscar isso, e o CCMR permite isso. "