p Físicos americanos e alemães encontraram evidências surpreendentes de que um dos fenômenos mais famosos da física moderna - o efeito Hall quântico - é "reencarnado" em supercondutores topológicos que poderiam ser usados ​​para construir computadores quânticos tolerantes a falhas. p A descoberta de 1980 do efeito Hall quântico deu início ao estudo de ordens topológicas, estados eletrônicos com padrões "protegidos" de emaranhamento quântico de longo alcance que são notavelmente robustos. A estabilidade desses estados protegidos é extremamente atraente para a computação quântica, que usa emaranhamento quântico para armazenar e processar informações.

p Em um estudo publicado online este mês em Revisão Física X ( PRX ), físicos teóricos da Rice University, a Universidade da Califórnia, Berkeley (UC Berkeley), e o Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) em Karlsruhe, Alemanha, apresentou forte evidência numérica para uma ligação surpreendente entre as fases 2-D e 3-D da matéria topológica. O efeito Hall quântico foi descoberto em materiais 2-D, e laboratórios em todo o mundo estão em uma corrida para fazer supercondutores topológicos 3-D para computação quântica.

p "Neste trabalho, mostramos que uma classe particular de supercondutores topológicos 3-D deve exibir 'pilhas de energia' de estados eletrônicos 2-D em suas superfícies, "disse o co-autor de Rice, Matthew Foster, professor associado de física e astronomia e membro do Rice Center for Quantum Materials (RCQM). "Cada um desses estados empilhados é uma robusta 'reencarnação' de um único, estado muito especial que ocorre no efeito Hall quântico 2-D. "

p O efeito Hall quântico foi medido pela primeira vez em materiais bidimensionais. Foster usa uma analogia de "percolação" para ajudar a visualizar as estranhas semelhanças entre o que ocorre em experimentos de Hall quântico 2-D e os modelos computacionais 3-D do estudo.

p "Imagine uma folha de papel com um mapa de picos e vales acidentados, e então imagine o que acontece quando você enche aquela paisagem de água, "ele disse." A água são nossos elétrons, e quando o nível de fluido está baixo, você apenas isolou lagos de elétrons. Os lagos estão desconectados uns dos outros, e os elétrons não podem conduzir através da massa. Se o nível da água estiver alto, voce tem ilhas isoladas, e, neste caso, as ilhas são como os elétrons, e você também não obtém condução em massa. "

p Na analogia de Foster, a paisagem acidentada é o potencial elétrico do material 2-D, e o nível de robustez corresponde à quantidade de impurezas no sistema. O nível da água representa a "energia Fermi, "um conceito em física que se refere ao nível de preenchimento dos elétrons em um sistema. As bordas do mapa de papel são análogas às bordas 1D que circundam o material 2-D.

p "Se você adicionar água e ajustar o nível do fluido precisamente até o ponto em que haja pequenas pontes de água conectando os lagos e pequenas pontes de terra conectando as ilhas, então é tão fácil viajar por água ou terra, "Foster disse." Esse é o limite de percolação, que corresponde à transição entre estados topológicos em Hall quântico. Este é o estado 2-D especial no Hall quântico.

p "Se você aumentar o nível de fluido mais, agora os elétrons estão presos em ilhas isoladas, e você pensaria, 'Nós vamos, Eu tenho a mesma situação de antes, sem condução. ' Mas, na transição especial, um dos estados eletrônicos se desprendeu até o limite. Adicionar mais fluido não remove o estado de borda, que pode envolver toda a amostra, e nada pode pará-lo. "

p A analogia descreve a relação entre a condução de borda robusta e o ajuste fino em massa por meio da transição especial no efeito Hall quântico. No estudo PRX, Foster e os co-autores Björn Sbierski da UC Berkeley e Jonas Karcher do KIT estudaram sistemas topológicos 3-D que são semelhantes às paisagens 2-D na analogia.

p "As coisas interessantes nesses sistemas 3-D também estão acontecendo apenas na fronteira, "Foster disse." Mas agora nossos limites não são estados de borda 1D, são superfícies 2-D. "

p Usando "cálculos numéricos de força bruta dos estados de superfície, "Sbierski, Karcher e Foster encontraram uma ligação entre o estado Hall quântico 2-D crítico e os sistemas 3-D. Como o estado de borda 1D que persiste acima da energia de transição em materiais Hall quânticos 2-D, os cálculos revelaram um estado de contorno 2-D persistente nos sistemas 3-D. E não qualquer estado 2-D; é exatamente o mesmo estado de percolação 2-D que dá origem aos estados de borda Hall quânticos 1D.

p "O que era uma transição de fase quântica topológica ajustada em 2-D foi 'reencarnado' como o estado de superfície genérico para um volume dimensional superior, "Foster disse." No estudo de 2018, meu grupo identificou uma conexão análoga entre um diferente, tipo mais exótico de efeito Hall quântico 2-D e os estados de superfície de outra classe de supercondutores topológicos 3-D. Com esta nova evidência, agora estamos confiantes de que há uma razão topológica profunda para essas conexões, mas no momento a matemática permanece obscura. "

p Supercondutores topológicos ainda precisam ser realizados experimentalmente, mas os físicos estão tentando criá-los adicionando impurezas aos isolantes topológicos. Este processo, conhecido como doping, tem sido amplamente utilizado para fazer outros tipos de supercondutores não convencionais a partir de isoladores a granel.

p "Agora temos evidências de que três das cinco fases topológicas 3-D estão ligadas às fases 2-D que são versões do efeito Hall quântico, e todas as três fases 3-D podem ser realizadas em 'supercondutores topológicos, '"Foster disse.

p Foster disse que a sabedoria convencional na física da matéria condensada é que os supercondutores topológicos hospedariam cada um apenas um estado de superfície 2-D protegido e todos os outros estados seriam adversamente afetados por imperfeições inevitáveis ​​nos materiais de estado sólido usados ​​para fazer os supercondutores.

p Mas Sbierski, Os cálculos de Karcher e Foster sugerem que não é o caso.

p "No Quantum Hall, você pode sintonizar em qualquer lugar e ainda obter este platô robusto em condutância, devido aos estados de borda 1D, "Foster disse." Nosso trabalho sugere que esse também é o caso em 3-D. Vemos pilhas de estados críticos em diferentes níveis de energia, e todos eles são protegidos por esta estranha reencarnação do estado de transição de Hall quântico 2-D. "

p Os autores também prepararam o terreno para um trabalho experimental para verificar suas descobertas, elaborando detalhes de como os estados de superfície das fases 3-D devem aparecer em várias sondas experimentais.

p "Nós fornecemos 'impressões digitais' estatísticas precisas para os estados de superfície das fases topológicas, "Foster disse." As funções de onda reais são aleatórias, devido à desordem, mas suas distribuições são universais e correspondem à transição de Hall quântica. "