Mova Godzilla contra King Kong - este é o evento crossover que você estava esperando. Nós vamos, pelo menos se você for um físico de matéria condensada. Pesquisadores da Universidade de Harvard demonstraram o primeiro material que pode ter interações eletrônicas fortemente correlacionadas e propriedades topológicas. Não tem certeza do que isso significa? Não se preocupe, vamos orientá-lo. Tudo o que você precisa saber agora é que essa descoberta não apenas abre caminho para uma computação quântica mais estável, mas também uma plataforma inteiramente nova para explorar o mundo selvagem da física exótica.

A pesquisa foi publicada em Física da Natureza .

Vamos começar com o básico. Isoladores topológicos são materiais que podem conduzir eletricidade em sua superfície ou borda, mas não no meio. O estranho sobre esses materiais é que não importa como você os corte, a superfície sempre será condutora e o meio sempre isolante. Esses materiais oferecem um playground para a física fundamental, mas também são promissores para uma série de aplicações em tipos especiais de eletrônica e computação quântica.

Desde a descoberta de isolantes topológicos, pesquisadores em todo o mundo têm trabalhado para identificar materiais com essas propriedades poderosas.

"Um recente boom na física da matéria condensada veio da descoberta de materiais com propriedades protegidas topologicamente, "disse Harris Pirie, um estudante de graduação no Departamento de Física e primeiro autor do artigo.

Um material potencial, hexaboreto de samário, tem estado no centro de um debate acirrado entre os físicos da matéria condensada por mais de uma década. A questão central:é ou não é um isolante topológico?

"Nos últimos dez anos, um monte de jornais saiu dizendo sim e um monte de jornais saiu dizendo não, "disse Pirie." O cerne da questão é que a maioria dos materiais topológicos não tem elétrons interagindo fortemente, o que significa que os elétrons se movem muito rapidamente para sentirem uns aos outros. Mas o hexaboreto de samário faz, o que significa que os elétrons dentro deste material desaceleram o suficiente para interagir fortemente. Neste reino, a teoria fica bastante especulativa e não está claro se é ou não possível que materiais com propriedades de interação forte também sejam topológicos. Como experimentalistas, temos operado em grande parte às cegas com materiais como este. "

Para resolver o debate e descobrir, de uma vez por todas, se é ou não possível ter propriedades topológicas e de interação forte, os pesquisadores primeiro precisaram encontrar um pedaço bem ordenado de superfície de hexaboreto de samário para realizar o experimento.

Não foi uma tarefa fácil, considerando que a maioria da superfície do material é escarpada, bagunça desordenada. Os pesquisadores usaram ferramentas de medição de altíssima precisão desenvolvidas no laboratório de Jenny Hoffman, o professor de ciências Clowes e autor sênior do artigo, para encontrar um adequado, patch em escala atômica de hexaboreto de samário.

Próximo, a equipe decidiu determinar se o material era topologicamente isolante, enviando ondas de elétrons através do material e espalhando-os por defeitos atômicos - como jogar uma pedra em um lago. Ao observar as ondas, os pesquisadores conseguiram descobrir o momento dos elétrons em relação à sua energia.

"Descobrimos que o momento dos elétrons é diretamente proporcional à sua energia, que é a arma fumegante de um isolante topológico, "disse Pirie." É realmente emocionante finalmente entrar nesta interseção de física interativa e física topológica. Não sabemos o que vamos encontrar aqui. "

No que se refere à computação quântica, materiais topológicos de forte interação podem ser capazes de proteger os qubits de esquecer seu estado quântico, um processo denominado decoerência.

"Se pudéssemos codificar as informações quânticas em um estado protegido topologicamente, é menos suscetível a ruído externo que pode mudar acidentalmente o qubit, "disse Hoffman." A Microsoft já tem uma grande equipe perseguindo a computação quântica topológica em materiais compostos e nanoestruturas. Nosso trabalho demonstra o primeiro em um único material topológico que aproveita fortes interações de elétrons que podem eventualmente ser usadas para computação quântica topológica. "

"A próxima etapa será usar a combinação de estados quânticos protegidos topologicamente e fortes interações para criar novos estados quânticos da matéria, como supercondutores topológicos, "disse Dirk Morr, Professor de Física da Universidade de Illinois em Chicago e o teórico sênior do papel. "Suas propriedades extraordinárias podem abrir possibilidades sem precedentes para a implementação de bits quânticos topológicos."

Esta pesquisa foi coautoria de Yu Liu, Anjan Soumyanarayanan, Pengcheng Chen, Yang He, M. M. Yee, P. F. S. Rosa, J. D. Thompson, Dae-Jeong Kim, Z. Fisk, Xiangfeng Wang, Johnpierre Paglione, e M. H. Hamidian.

As medições eletrônicas em Harvard e o crescimento do cristal de hexaboreto de samário na UC Irvine foram apoiadas pela National Science Foundation. O crescimento do cristal na Universidade de Maryland foi apoiado pela Fundação Gordon &Betty Moore. As medições magnéticas no Laboratório Nacional de Los Alamos e o trabalho teórico na Universidade de Illinois foram apoiados pelo Departamento de Energia.