Os computadores quânticos prometem realizar operações de grande importância, consideradas impossíveis para nossa tecnologia hoje. Os computadores atuais processam informações por meio de transistores que transportam uma das duas unidades de informação, 1 ou 0. A computação quântica é baseada no comportamento da mecânica quântica da unidade lógica. Cada unidade quântica, ou "qubit, "pode ​​existir em uma superposição quântica em vez de assumir valores discretos. Os maiores obstáculos para a computação quântica são os próprios qubits - é um desafio científico contínuo criar unidades lógicas robustas o suficiente para transportar instruções sem ser afetado pelo ambiente circundante e pelos erros resultantes.

Os físicos teorizaram que um novo tipo de material, chamado de isolador topológico tridimensional (3-D) (TI), pode ser um bom candidato para criar qubits que serão resilientes a esses erros e protegidos contra a perda de suas informações quânticas. Este material tem um interior isolante e superfícies superiores e inferiores metálicas que conduzem eletricidade. A propriedade mais importante dos isoladores topológicos 3-D é que as superfícies condutoras devem ser protegidas da influência dos arredores. Existem poucos estudos que testaram experimentalmente como os TIs se comportam na vida real.

Um novo estudo da Universidade de Utah descobriu que, de fato, quando as camadas isolantes são tão finas quanto 16 camadas atômicas quíntuplas de diâmetro, as superfícies metálicas superior e inferior começam a se influenciar mutuamente e a destruir suas propriedades metálicas. O experimento demonstra que as superfícies opostas começam a se influenciar em um interior isolante muito mais espesso do que estudos anteriores haviam mostrado, possivelmente se aproximando de um raro fenômeno teórico no qual as superfícies metálicas também se tornam isolantes à medida que o interior se afina.

"Isoladores topológicos podem ser um material importante na computação quântica futura. Nossas descobertas descobriram uma nova limitação neste sistema, "disse Vikram Deshpande, professor assistente de física da Universidade de Utah e autor correspondente do estudo. "As pessoas que trabalham com isoladores topológicos precisam saber quais são seus limites. Acontece que, à medida que você se aproxima desse limite, quando essas superfícies começam a "falar" umas com as outras, nova física aparece, o que também é muito legal por si só. "

O novo estudo publicado em 16 de julho, 2019 no jornal Cartas de revisão física .

Sanduíches desleixados construídos com isolantes topológicos

Imagine um livro de capa dura como um isolante topológico 3-D, Deshpande disse. A maior parte do livro são as páginas, que é uma camada isolante - não pode conduzir eletricidade. As próprias capas duras representam as superfícies metálicas. Dez anos atrás, físicos descobriram que essas superfícies podem conduzir eletricidade, e um novo campo topológico nasceu.

Deshpande e sua equipe criaram dispositivos usando TIs 3-D, empilhando cinco camadas de poucos átomos de vários materiais em estruturas desleixadas semelhantes a um sanduíche. O núcleo principal do sanduíche é o isolante topológico, feito de algumas camadas quíntuplas de seleneto de telúrio e antimônio de bismuto (Bi _{2 -x} Sb _x Te _{3 -y} Sey). Este núcleo é ensanduichado por algumas camadas de nitreto de boro, e é finalizado com duas camadas de grafite, acima e abaixo. O grafite funciona como portões metálicos, essencialmente criando dois transistores que controlam a condutividade. No ano passado, Deshpande conduziu um estudo que mostrou que essa receita topológica construiu um dispositivo que se comportou como você esperaria - isoladores em massa que protegem as superfícies metálicas do ambiente circundante.

Neste estudo, eles manipularam os dispositivos TI 3-D para ver como as propriedades mudavam. Primeiro, eles construíram heteroestruturas de van der Waal - aqueles sanduíches desleixados - e os expuseram a um campo magnético. A equipe de Deshpande testou muitos em seu laboratório na Universidade de Utah e o primeiro autor Su Kong Chong, candidato a doutorado na U, viajou para o National High Magnetic Field Lab em Tallahassee para realizar os mesmos experimentos usando um dos campos magnéticos mais altos do país. Na presença do campo magnético, um padrão quadriculado emergiu das superfícies metálicas, mostrando os caminhos pelos quais a corrente elétrica se moverá na superfície. Os tabuleiros de damas, consistindo em condutividades quantizadas versus tensões nas duas portas, são bem definidos, com a grade se cruzando em pontos de interseção perfeitos, permitindo aos pesquisadores rastrear qualquer distorção na superfície.

Eles começaram com a camada isolante com 100 nanômetros de espessura, cerca de um milésimo do diâmetro de um cabelo humano, e foi ficando mais fino progressivamente para 10 nanômetros. O padrão começou a distorcer até que a camada isolante estava com 16 nanômetros de espessura, quando os pontos de interseção começaram a quebrar, criando uma lacuna que indicava que as superfícies não eram mais condutoras.

"Essencialmente, transformamos algo metálico em algo isolante nesse espaço de parâmetros. O objetivo deste experimento é que podemos alterar de forma controlada a interação entre essas superfícies, "disse Deshpande." Começamos com eles sendo completamente independentes e metálicos, e, em seguida, comece a aproximá-los cada vez mais até que comecem a 'falar, 'e quando eles estão realmente perto, eles são essencialmente abertos e se tornam isolantes. "

Experimentos anteriores em 2010 e 2012 também observaram a lacuna de energia nas superfícies metálicas à medida que o material isolante fica mais fino. Mas esses estudos concluíram que a lacuna de energia apareceu com camadas isolantes muito mais finas - cinco nanômetros de tamanho. Este estudo observou as propriedades da superfície metálica quebrando em espessuras interiores muito maiores, até 16 nanômetros. Os outros experimentos usaram diferentes métodos de "ciência de superfície", onde observaram os materiais através de um microscópio com uma ponta metálica muito afiada para olhar para cada átomo individualmente ou estudá-los com luz altamente energética.

"Esses foram experimentos extremamente envolventes que estão muito distantes da criação do dispositivo que estamos fazendo, "disse Deshpande.

Próximo, Deshpande e a equipe examinarão mais de perto a física criando essa lacuna de energia nas superfícies. Ele prevê que essas lacunas podem ser positivas ou negativas dependendo da espessura do material.