Estrutura de contato de ponto quântico (esquerda) em que uma tensão aplicada restringe o movimento do elétron a uma dimensão, com condutância (direita) mostrando o efeito do campo magnético aplicado (vermelho). Crédito:UNSW
Por que estudar as propriedades de spin de nanofios quânticos unidimensionais é importante?
Nanofios quânticos - que têm comprimento, mas sem largura ou altura - fornecem um ambiente único para a formação e detecção de uma quase-partícula conhecida como modo zero de Majorana.
Um novo estudo liderado pela UNSW supera a dificuldade anterior de detectar o modo zero de Majorana, e produz uma melhoria significativa na reprodutibilidade do dispositivo.
As aplicações potenciais para os modos zero de Majorana incluem computadores quânticos topológicos resistentes a falhas, e supercondutividade topológica.
Férmions de Majorana em fios 1-D
Um férmion de Majorana é uma partícula composta que é sua própria antipartícula.
O interesse de tal partícula incomum acadêmica e comercialmente vem de seu uso potencial em um computador quântico topológico, previsto para ser imune à decoerência que torna aleatória a preciosa informação quântica.
Modos zero Majorana podem ser criados em fios quânticos feitos de materiais especiais nos quais há um forte acoplamento entre suas propriedades elétricas e magnéticas.
Em particular, Os modos zero de Majorana podem ser criados em semicondutores unidimensionais (como nanofios semicondutores) quando acoplados a um supercondutor.
Em um nanofio unidimensional, cujas dimensões perpendiculares ao comprimento são pequenas o suficiente para não permitir qualquer movimento das partículas subatômicas, efeitos quânticos predominam.
Explicador da antimatéria:cada partícula fundamental tem uma partícula de antimatéria correspondente, com a mesma massa, mas com carga elétrica oposta. Por exemplo, a antipartícula de um elétron (carga -1) é um pósitron (carga +1). Crédito:UNSW
Novo método para detectar a lacuna spin-órbita necessária
Os sistemas semicondutores unidimensionais com forte interação spin-órbita estão atraindo grande atenção devido às aplicações potenciais em computação quântica topológica.
O 'spin' magnético de um elétron é como uma pequena barra magnética, cuja orientação pode ser definida com um campo magnético aplicado.
Em materiais com uma 'interação spin-órbita', o spin de um elétron é determinado pela direção do movimento, mesmo em campo magnético zero. Isso permite toda a manipulação elétrica das propriedades quânticas magnéticas.
Aplicar um campo magnético a tal sistema pode abrir uma lacuna de energia de modo que todos os elétrons que se movem para a frente tenham a mesma polarização de spin, e elétrons que se movem para trás têm a polarização oposta. Este 'spin-gap' é um pré-requisito para a formação dos modos zero de Majorana.
Apesar do intenso trabalho experimental, provou ser extremamente difícil detectar de forma inequívoca esse gap de spin em nanofios semicondutores, uma vez que a assinatura característica do spin-gap (uma queda em seu platô de condutância quando um campo magnético é aplicado) é muito difícil de distinguir da inevitável desordem de fundo em nanofios.
O novo estudo encontra um novo, assinatura inequívoca para a lacuna spin-órbita que é imune aos efeitos da desordem que assolam os estudos anteriores.
"Esta assinatura se tornará o padrão de fato para a detecção de gaps de rotação no futuro, "diz a autora principal, Dra. Karina Hudson.
Férmions de Majorana, que são suas próprias antipartículas, foram teorizados desde 1937, mas só foram observados experimentalmente na última década. A "imunidade" do férmion de Majorana à decoerência fornece uso potencial para computação quântica tolerante a falhas. Crédito:UNSW
Reprodutibilidade
O uso de modos zero de Majorana em um computador quântico escalável enfrenta um desafio adicional devido à desordem aleatória e imperfeições nos nanofios automontados que hospedam o MZM.
Anteriormente, era quase impossível fabricar dispositivos reproduzíveis, com apenas cerca de 10% dos dispositivos funcionando dentro dos parâmetros desejados.
Os últimos resultados UNSW mostram uma melhoria significativa, com resultados reproduzíveis em seis dispositivos com base em três diferentes wafers iniciais.
"Este trabalho abre um novo caminho para tornar dispositivos totalmente reproduzíveis, "diz o autor correspondente Prof Alex Hamilton UNSW).
"Novas assinaturas do gap de spin em contatos de pontos quânticos" foi publicado em Nature Communications em janeiro de 2021.
