Uma equipe de físicos teóricos e experimentais projetou um novo material ultrafino que eles usaram para criar estados quânticos indescritíveis. Chamados modos de energia zero de Majorana unidimensionais, esses estados quânticos podem ter um grande impacto para a computação quântica.

No núcleo de um computador quântico está um qubit, que é usado para fazer cálculos de alta velocidade. O qubits que o Google, por exemplo, em seu processador Sycamore revelado no ano passado, e outros estão usando atualmente são muito sensíveis ao ruído e interferência dos arredores do computador, que introduz erros nos cálculos. Um novo tipo de qubit, chamado de qubit topológico, poderia resolver este problema, e os modos de energia zero 1D Majorana podem ser a chave para torná-los. "Um computador quântico topológico é baseado em qubits topológicos, que supostamente são muito mais tolerantes a ruído do que outros qubits. Contudo, qubits topológicos ainda não foram produzidos no laboratório, "explica o professor Peter Liljeroth, o pesquisador líder do projeto.

O que são MZMs?

MZMs são grupos de elétrons unidos de uma maneira específica para que se comportem como uma partícula chamada férmion de Majorana, uma partícula semimítica proposta pela primeira vez pelo físico semimítico Ettore Majorana na década de 1930. Se as partículas teóricas de Majorana pudessem ser ligadas, eles funcionariam como um qubit topológico. Um problema:nenhuma evidência de sua existência foi vista, tanto no laboratório quanto na astronomia. Em vez de tentar fazer uma partícula que ninguém nunca viu em nenhum lugar do universo, em vez disso, os pesquisadores tentam fazer os elétrons regulares se comportarem como eles.

Para fazer MZMs, pesquisadores precisam de materiais incrivelmente pequenos, uma área em que o grupo do professor Liljeroth na Aalto University é especializado. MZMs são formados dando a um grupo de elétrons uma quantidade muito específica de energia, e, em seguida, prendê-los juntos para que não possam escapar. Para alcançar isto, os materiais precisam ser bidimensionais, e tão magro quanto fisicamente possível. Para criar 1D MZMs, a equipe precisava fazer um tipo inteiramente novo de material 2-D:um supercondutor topológico.

Supercondutividade topológica é a propriedade que ocorre no limite de um isolador elétrico magnético e um supercondutor. Para criar 1D MZMs, A equipe do professor Liljeroth precisava ser capaz de prender elétrons juntos em um supercondutor topológico, entretanto, não é tão simples quanto colar qualquer ímã em qualquer supercondutor.

"Se você colocar a maioria dos ímãs em cima de um supercondutor, você o impede de ser um supercondutor, "explica o Dr. Shawulienu Kezilebieke, o primeiro autor do estudo. “As interações entre os materiais perturbam suas propriedades, mas para fazer MZMs, você precisa dos materiais para interagir um pouco. O truque é usar materiais 2-D:eles interagem entre si apenas o suficiente para fazer as propriedades de que você precisa para os MZMs, mas não tanto a ponto de atrapalharem um ao outro. "

A propriedade em questão é o spin. Em um material magnético, o spin está alinhado na mesma direção, enquanto em um supercondutor o spin é anti-alinhado com direções alternadas. Unir um ímã e um supercondutor geralmente destrói o alinhamento e o anti-alinhamento dos spins. Contudo, em materiais em camadas 2-D, as interações entre os materiais são apenas o suficiente para "inclinar" os spins dos átomos o suficiente para que criem o estado de spin específico, chamado de acoplamento rotação-órbita de Rashba, necessário para fazer os MZMs.

Encontrando os MZMs

O supercondutor topológico neste estudo é feito de uma camada de brometo de cromo, um material que ainda é magnético quando tem apenas um átomo de espessura. A equipe do professor Liljeroth cultivou ilhas de brometo de cromo com a espessura de um átomo no topo de um cristal supercondutor de disseleneto de nióbio, e mediu suas propriedades elétricas usando um microscópio de tunelamento de varredura. Neste ponto, eles se voltaram para a experiência em modelagem de computador do Professor Adam Foster na Aalto University e do Professor Teemu Ojanen, agora na Universidade de Tampere, para entender o que eles fizeram.

"Foi necessário muito trabalho de simulação para provar que o sinal que estamos vendo foi causado por MZMs, e não outros efeitos, "diz o professor Foster." Precisávamos mostrar que todas as peças se encaixavam para provar que havíamos produzido MZMs. "

Agora a equipe tem certeza de que pode fazer MZMs 1D em materiais bidimensionais, a próxima etapa será tentar transformá-los em qubits topológicos. Esta etapa, até agora, iludiu as equipes que já fizeram MZMs 0-dimensionais, e a equipe Aalto não está disposta a especular se o processo será mais fácil com MZMs unidimensionais, no entanto, eles estão otimistas sobre o futuro dos MZMs 1D.

"A parte legal deste artigo é que fizemos MZMs em materiais 2-D, "disse o professor Liljeroth" Em princípio, eles são mais fáceis de fazer e mais fáceis de personalizar as propriedades de, e, finalmente, torná-lo um dispositivo utilizável. "

O papel, Supercondutividade topológica em uma heteroestrutura de van der Waals, foi publicado em 17 de dezembro em Natureza .