Uma nova fusão de materiais, cada um com propriedades elétricas especiais, possui todos os componentes necessários para um tipo único de supercondutividade que poderia fornecer a base para uma computação quântica mais robusta. A nova combinação de materiais, criada por uma equipe liderada por pesquisadores da Penn State, também poderia fornecer uma plataforma para explorar comportamentos físicos semelhantes aos de partículas teóricas misteriosas conhecidas como Majoranas quirais, que poderiam ser outro componente promissor para a computação quântica.



O novo estudo aparece na revista Science . O trabalho descreve como os pesquisadores combinaram os dois materiais magnéticos no que chamaram de um passo crítico para a realização da supercondutividade interfacial emergente, na qual estão atualmente trabalhando.

Os supercondutores – materiais sem resistência elétrica – são amplamente utilizados em circuitos digitais, nos poderosos ímãs em imagens de ressonância magnética (MRI) e em aceleradores de partículas, além de outras tecnologias nas quais a maximização do fluxo de eletricidade é crucial.

Quando os supercondutores são combinados com materiais chamados isolantes topológicos magnéticos - filmes finos com apenas alguns átomos de espessura que foram tornados magnéticos e restringem o movimento dos elétrons até suas bordas - as novas propriedades elétricas de cada componente trabalham juntas para produzir "supercondutores topológicos quirais".

A topologia, ou geometrias e simetrias especializadas da matéria, gera fenômenos elétricos únicos no supercondutor, o que poderia facilitar a construção de computadores quânticos topológicos.

Os computadores quânticos têm o potencial de realizar cálculos complexos numa fração do tempo que os computadores tradicionais levam porque, ao contrário dos computadores tradicionais que armazenam dados como um ou zero, os bits quânticos dos computadores quânticos armazenam dados simultaneamente numa gama de estados possíveis.

Os computadores quânticos topológicos melhoram ainda mais a computação quântica, aproveitando a forma como as propriedades elétricas são organizadas para tornar os computadores robustos à decoerência, ou à perda de informações que ocorre quando um sistema quântico não está perfeitamente isolado.

"A criação de supercondutores topológicos quirais é um passo importante em direção à computação quântica topológica que pode ser ampliada para uso amplo", disse Cui-Zu Chang, professor em início de carreira Henry W. Knerr e professor associado de física na Penn State e co-autor de o papel.

"A supercondutividade topológica quiral requer três ingredientes:supercondutividade, ferromagnetismo e uma propriedade chamada ordem topológica. Neste estudo, produzimos um sistema com todas essas três propriedades."

Os pesquisadores usaram uma técnica chamada epitaxia de feixe molecular para empilhar um isolante topológico que se tornou magnético e um calcogeneto de ferro (FeTe), um metal de transição promissor para aproveitar a supercondutividade. O isolante topológico é um ferromagneto – um tipo de ímã cujos elétrons giram da mesma maneira – enquanto o FeTe é um antiferromagneto, cujos elétrons giram em direções alternadas.

Os pesquisadores usaram uma variedade de técnicas de imagem e outros métodos para caracterizar a estrutura e as propriedades elétricas do material combinado resultante e confirmaram a presença de todos os três componentes críticos da supercondutividade topológica quiral na interface entre os materiais.

Trabalhos anteriores na área concentraram-se na combinação de supercondutores e isoladores topológicos não magnéticos. Segundo os pesquisadores, adicionar o ferromagneto tem sido particularmente desafiador.

“Normalmente, a supercondutividade e o ferromagnetismo competem entre si, por isso é raro encontrar supercondutividade robusta num sistema de material ferromagnético”, disse Chao-Xing Liu, professor de física na Penn State e co-autor do artigo.

"Mas a supercondutividade neste sistema é na verdade muito robusta contra o ferromagnetismo. Seria necessário um campo magnético muito forte para remover a supercondutividade."

A equipa de investigação ainda está a explorar porque é que a supercondutividade e o ferromagnetismo coexistem neste sistema.

“Na verdade, é bastante interessante porque temos dois materiais magnéticos que não são supercondutores, mas quando os juntamos e a interface entre estes dois compostos produz uma supercondutividade muito robusta”, disse Chang.

"O calcogeneto de ferro é antiferromagnético, e prevemos que sua propriedade antiferromagnética seja enfraquecida em torno da interface para dar origem à supercondutividade emergente, mas precisamos de mais experimentos e trabalho teórico para verificar se isso é verdade e para esclarecer o mecanismo supercondutor."

Os pesquisadores disseram acreditar que este sistema será útil na busca de sistemas materiais que exibam comportamentos semelhantes aos das partículas de Majorana - partículas subatômicas teóricas levantadas pela primeira vez em 1937. As partículas de Majorana atuam como sua própria antipartícula, uma propriedade única que poderia potencialmente permitir que eles sejam usados ​​como bits quânticos em computadores quânticos.

“Fornecer evidências experimentais da existência de Majorana quiral será um passo crítico na criação de um computador quântico topológico”, disse Chang. "Nosso campo teve um passado difícil na tentativa de encontrar essas partículas indescritíveis, mas achamos que esta é uma plataforma promissora para explorar a física de Majorana."

Mais informações: Hemian Yi et al, Supercondutividade induzida por interface em isoladores topológicos magnéticos, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk1270. www.science.org/doi/10.1126/science.adk1270
Informações do diário: Ciência

Fornecido pela Universidade Estadual da Pensilvânia