Desde que recebeu uma doação de US $ 25 milhões em 2019 para se tornar a primeira Fundição Quantum da National Science Foundation (NSF), Pesquisadores da UC Santa Bárbara afiliados à fundição têm trabalhado para desenvolver materiais que podem permitir tecnologias baseadas em informações quânticas para aplicações como computação quântica, comunicações, de detecção, e simulação.

Eles podem ter feito isso.

Em um novo jornal, publicado no jornal Materiais da Natureza , co-diretor da fundição e professor de materiais da UCSB Stephen Wilson e vários co-autores, incluindo colaboradores importantes da Universidade de Princeton, estudar um novo material desenvolvido na Quantum Foundry como um candidato a supercondutor - um material no qual a resistência elétrica desaparece e os campos magnéticos são expelidos - que poderia ser útil em computação quântica futura.

Um artigo anterior publicado pelo grupo de Wilson na revista Cartas de revisão física e apresentado em Física revista descreveu um novo material, antimoneto de césio vanádio (CsV ₃ Sb ₅ ), que exibe uma mistura surpreendente de características envolvendo uma padronização auto-organizada de carga entrelaçada com um estado supercondutor. A descoberta foi feita por Elings Postdoctoral Fellow Brenden R. Ortiz. Acontece que Wilson disse, essas características são compartilhadas por uma série de materiais relacionados, incluindo RbV ₃ Sb ₅ e KV ₃ Sb ₅ , o último (uma mistura de potássio, vanádio e antimônio) sendo o assunto deste artigo mais recente, intitulado "Descoberta da ordem de carga quiral não convencional no kagome supercondutor KV ₃ Sb ₅ . "

Materiais neste grupo de compostos, Wilson observou, "são previstos para hospedar uma física de onda de densidade de carga interessante [isto é, seus elétrons se auto-organizam em um padrão não uniforme nos sítios de metal do composto]. A natureza peculiar desta padronização auto-organizada de elétrons é o foco do trabalho atual. "

Este estado de onda de densidade de carga prevista e outras físicas exóticas derivam da rede de íons vanádio (V) dentro desses materiais, que formam uma rede de triângulos de compartilhamento de cantos conhecida como rede kagome. KV ₃ Sb ₅ foi descoberto ser um metal raro construído a partir de planos de treliça kagome, um que também superconduta. Algumas das outras características do material levaram os pesquisadores a especular que as cargas nele podem formar pequenos loops de corrente que criam campos magnéticos locais.

Cientistas e físicos de materiais há muito previram que poderia ser feito um material que exibisse um tipo de ordem de onda de densidade de carga que quebra o que é chamado de simetria de reversão do tempo. "Isso significa que tem um momento magnético, ou um campo, associado a isso, "Wilson disse." Você pode imaginar que existem certos padrões na rede kagome onde a carga está se movendo em um pequeno loop. Esse loop é como um loop de corrente, e isso lhe dará um campo magnético. Tal estado seria um novo estado eletrônico da matéria e teria consequências importantes para a supercondutividade não convencional subjacente. "

O papel do grupo de Wilson era fazer o material e caracterizar suas propriedades em massa. A equipe de Princeton então usou microscopia de tunelamento de varredura de alta resolução (STM) para identificar o que eles acreditam ser as assinaturas de tal estado, que, Wilson disse, "também são hipotetizados a existir em outros supercondutores anômalos, como aqueles que superconduzem em alta temperatura, embora não tenha sido definitivamente mostrado. "

O STM funciona escaneando uma ponta de fio de metal muito afiada sobre uma superfície. Trazendo a ponta extremamente perto da superfície e aplicando uma voltagem elétrica na ponta ou na amostra, a superfície pode ser visualizada até a escala de resolução de átomos individuais e onde os elétrons se agrupam. No artigo, os pesquisadores descrevem ver e analisar um padrão de ordem na carga eletrônica, que muda conforme um campo magnético é aplicado. Este acoplamento a um campo magnético externo sugere um estado de onda de densidade de carga que cria seu próprio campo magnético.

Este é exatamente o tipo de trabalho para o qual a Quantum Foundry foi estabelecida. “A contribuição da fundição é importante, "Wilson disse." Ela desempenhou um papel importante no desenvolvimento desses materiais, e pesquisadores de fundição descobriram supercondutividade neles e então encontraram assinaturas indicando que eles podem possuir uma onda de densidade de carga. Agora, os materiais estão sendo estudados em todo o mundo, porque têm vários aspectos que interessam a muitas comunidades diferentes.

"Eles são de interesse, por exemplo, para pessoas em informações quânticas como potenciais supercondutores topológicos, "ele continuou." Eles são de interesse para quem estuda nova física em metais topológicos, porque eles potencialmente hospedam efeitos de correlação interessantes, definido como a interação dos elétrons entre si, e isso é potencialmente o que fornece a gênese desse estado de onda de densidade de carga. E eles são do interesse das pessoas que buscam a supercondutividade de alta temperatura, porque eles têm elementos que parecem ligá-los a alguns dos recursos vistos nesses materiais, embora KV ₃ Sb ₅ supercondutos a uma temperatura bastante baixa. "

Se KV ₃ Sb ₅ acaba sendo o que se suspeita ser, ele poderia ser usado para fazer um qubit topológico útil em aplicações de informação quântica. Por exemplo, Wilson disse, "Ao fazer um computador topológico, deseja-se fazer qubits cujo desempenho é aprimorado pelas simetrias do material, o que significa que eles não tendem a descoerir [a decoerência de estados quânticos emaranhados fugazes sendo um grande obstáculo na computação quântica] e, portanto, têm uma necessidade reduzida de correção de erros convencional.

"Existem apenas certos tipos de estados que você pode encontrar que podem servir como um qubit topológico, e um supercondutor topológico deve hospedar um, "acrescentou." Esses materiais são raros. Este sistema pode ser interessante para isso, mas está longe de ser confirmado, e é difícil confirmar se é ou não. Ainda há muito a ser feito para compreender esta nova classe de supercondutores. "