Já encontramos muitos supercondutores, mas essa ilustração extravagante mostra por que as propriedades recém-descobertas de um supercondutor podem torná-lo especialmente útil. Os supercondutores mais conhecidos são singlets de spin, encontrado na ilha à esquerda. Ditelureto de urânio, Contudo, é um trio de spin raro, encontrado na ilha à direita, e também existe no topo de uma montanha, representando sua resistência excepcionalmente alta a campos magnéticos. Essas propriedades podem torná-lo um bom material para fazer qubits, que poderia manter a coerência em um computador quântico, apesar da interferência do ambiente circundante. Crédito:Natasha Hanacek / NIST
Um material potencialmente útil para a construção de computadores quânticos foi descoberto no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), cujos cientistas encontraram um supercondutor que pode contornar um dos principais obstáculos que se colocam no caminho de circuitos lógicos quânticos eficazes.
Propriedades recém-descobertas no ditelureto de urânio composto, ou UTe 2 , mostram que ele pode se mostrar altamente resistente a um dos nêmeses do desenvolvimento do computador quântico - a dificuldade de fazer com que as chaves de armazenamento de memória de um computador, chamados qubits, funcionam o tempo suficiente para terminar um cálculo antes de perder o delicado relacionamento físico que lhes permite operar como um grupo. Este relacionamento, chamada coerência quântica, é difícil de manter devido a perturbações do mundo circundante.
A resistência forte e incomum do composto a campos magnéticos o torna uma ave rara entre os materiais supercondutores (SC), que oferecem vantagens distintas para o design qubit, principalmente sua resistência aos erros que podem facilmente se infiltrar na computação quântica. UTe 2 os comportamentos excepcionais da empresa podem torná-la atraente para a indústria nascente de computadores quânticos, de acordo com Nick Butch da equipe de pesquisa.
"Este é potencialmente o silício da era da informação quântica, "disse Butch, um físico do NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Você poderia usar ditelureto de urânio para construir os qubits de um computador quântico eficiente."
Resultados de pesquisa da equipe, que também inclui cientistas da Universidade de Maryland e do Laboratório Ames, apareça hoje no jornal Ciência . Seus detalhes de papel UTe 2 propriedades incomuns de, que são interessantes do ponto de vista da aplicação tecnológica e da ciência fundamental.
Uma delas é a forma incomum com que os elétrons que conduzem eletricidade através do UTe 2 parceiro. Em fio de cobre ou algum outro condutor comum, elétrons viajam como partículas individuais, mas em todos os SCs eles formam os chamados pares de Cooper. As interações eletromagnéticas que causam esses pares são responsáveis pela supercondutividade do material. A explicação para esse tipo de supercondutividade é chamada de teoria BCS em homenagem aos três cientistas que descobriram os pares (e compartilharam o Prêmio Nobel por isso).
O que é especificamente importante para esse emparelhamento de Cooper é uma propriedade que todos os elétrons possuem. Conhecido como spin quântico, "faz com que os elétrons se comportem como se cada um tivesse uma pequena barra magnética passando por eles. Na maioria dos SCs, os elétrons emparelhados têm seus spins quânticos orientados de uma única maneira - os pontos de um elétron para cima, enquanto seu parceiro aponta para baixo. Esse emparelhamento oposto é chamado de singleto de spin.
Um pequeno número de supercondutores conhecidos, no entanto, são não conformistas, e UTe 2 parece estar entre eles. Seus pares Cooper podem ter seus spins orientados em uma das três combinações, fazendo-os girar trigêmeos. Essas combinações permitem que os spins do par de Cooper sejam orientados em paralelo, em vez de em oposição. Prevê-se que a maioria dos SCs tripletos de spin também sejam SCs "topológicos", com uma propriedade altamente útil em que a supercondutividade ocorreria na superfície do material e permaneceria supercondutora mesmo em face de distúrbios externos.
"Esses pares de spin paralelos podem ajudar o computador a permanecer funcional, "Butch disse." Não pode falhar espontaneamente por causa das flutuações quânticas.
Todos os computadores quânticos até este ponto precisavam de uma maneira de corrigir os erros que se insinuam de seus arredores. Há muito que se entende que os SCs têm vantagens gerais como base para os componentes do computador quântico, e vários avanços comerciais recentes no desenvolvimento de computadores quânticos envolveram circuitos feitos de supercondutores. As propriedades de um SC topológico - que um computador quântico poderia empregar - teriam a vantagem adicional de não precisar de correção de erro quântico.
"Queremos um SC topológico porque ele forneceria qubits sem erros. Eles poderiam ter vidas úteis muito longas, "Butch disse." Os SCs topológicos são uma rota alternativa para a computação quântica porque protegem o qubit do meio ambiente. "
A equipe tropeçou em UTe 2 enquanto explora ímãs baseados em urânio, cujas propriedades eletrônicas podem ser ajustadas conforme desejado, alterando sua química, pressão ou campo magnético - um recurso útil quando você deseja materiais personalizáveis. (Nenhum desses parâmetros é baseado na radioatividade. O material contém "urânio empobrecido, "que é apenas ligeiramente radioativo. Qubits feitos de UTe 2 seria minúsculo, e eles podem ser facilmente protegidos de seu ambiente pelo resto do computador.)
A equipe não esperava que o composto possuísse as propriedades que eles descobriram.
"UTe 2 foi criado pela primeira vez na década de 1970, e até mesmo artigos de pesquisa bastante recentes o descreveram como normal, "Butch disse." Aconteceu de fazermos alguns UTe 2 enquanto estávamos sintetizando materiais relacionados, então o testamos em temperaturas mais baixas para ver se algum fenômeno poderia ter sido esquecido. Rapidamente percebemos que tínhamos algo muito especial em nossas mãos. "
A equipe do NIST começou a explorar o UTe 2 com ferramentas especializadas no NCNR e na Universidade de Maryland. Eles viram que ele se tornou supercondutor em baixas temperaturas (abaixo de -271,5 graus Celsius, ou 1,6 Kelvin). Suas propriedades supercondutoras se assemelhavam às de supercondutores raros que também são simultaneamente ferromagnéticos - agindo como ímãs permanentes de baixa temperatura. Ainda, curiosamente, UTe 2 em si não é ferromagnético.
"Isso faz UTe 2 fundamentalmente novo só por esse motivo, "Butch disse.
Também é altamente resistente a campos magnéticos. Normalmente, um campo irá destruir a supercondutividade, mas dependendo da direção em que o campo é aplicado, UTe 2 pode suportar campos de até 35 tesla. Este é 3, 500 vezes mais forte do que um ímã de geladeira típico, e muitas vezes mais do que a maioria dos SCs topológicos de baixa temperatura pode suportar.
Embora a equipe ainda não tenha provado conclusivamente que UTe 2 é um SC topológico, Butch diz que essa resistência incomum a campos magnéticos fortes significa que deve ser um SC tripleto de spin, e, portanto, provavelmente também é um SC topológico. Essa resistência também pode ajudar os cientistas a entender a natureza do UTe 2 e talvez a própria supercondutividade.
"Explorá-lo ainda mais pode nos dar uma visão sobre o que estabiliza esses SCs de spin paralelo, "ele disse." Um objetivo principal da pesquisa de SC é ser capaz de entender a supercondutividade bem o suficiente para sabermos onde procurar por materiais SC não descobertos. No momento, não podemos fazer isso. O que é essencial sobre eles? Esperamos que este material nos diga mais. "
O estudo está publicado na revista Ciência .
