Isoladores Hall de spin quântico são uma classe de estados topológicos bidimensionais (2D) da matéria que são eletricamente isolantes em seu interior, mas, ao contrário de semicondutores, carregam um par de estados metálicos unidimensionais (1D), que estão estritamente confinados às suas bordas.

Particular para esses elétrons 1D 'nervosos' é que eles são o que os físicos chamam de helicoidal:ou seja, os spins dos elétrons de condução são alinhados e ligados à direção em que os elétrons se movem ao longo da borda 1D, semelhante a um par de fios unidimensionais com polarização de spin. Essas propriedades helicoidais oferecem soluções potenciais para problemas em eletrônica e spintrônica, bem como dispositivos eletrônicos quânticos.

Assim como uma folha de papel mantém seus dois lados mesmo quando amassada, as propriedades físicas dos estados de borda metálica de um isolador Hall de spin quântico são notavelmente estáveis ​​contra perturbações - elas são protegidas pela topologia.

Primeiro previsto teoricamente há duas décadas, tão exótico, estado topológico da matéria realizado pela primeira vez em um projeto cuidadosamente projetado, heteroestruturas semicondutoras em camadas.

Mais recentemente, classes de cristais atomicamente finos estão surgindo, semelhante ao famoso grafeno, que hospedam este estado eletrônico da matéria como uma propriedade intrínseca.

Em seu artigo em Materiais avançados em abril de 2021 (link abaixo), a equipe analisa os avanços recentes na engenharia de materiais junto com a descrição teórica, levantamento da biblioteca de promissores isoladores Hall atomicamente finos de spin quântico com vista a aplicações de dispositivos eletrônicos quânticos e clássicos.

Por exemplo, a faixa de temperatura sobre a qual os estados de borda exóticos podem ser aproveitados escalas com as propriedades desses cristais, como a força de acoplamento do spin do elétron ao seu momento orbital.

Enquanto os isoladores Hall de spin quântico baseado em heteroestrutura de semicondutor só foram caracterizados em temperaturas de hélio líquido (T <4,2 K), progresso recente viu o desenvolvimento de cristais atomicamente finos que retêm suas propriedades Hall de spin quântico até 100 K, promissoras demonstrações de temperatura ambiente no futuro.

Isoladores Hall de spin quântico podem ser usados ​​para novos tipos de eletrônicos que consomem menos energia, mas isso exigiria operação em temperatura ambiente para evitar resfriamento caro (e que consome muita energia).

Nos extremos de baixa temperatura, onde a supercondutividade pode ser induzida, aplicativos de computação quântica especialmente promissores foram previstos. Quando superconduzindo, os estados de borda 1D foram previstos para hospedar um tipo exótico de quasipartícula chamado "férmions de Majorana, "que não é férmion nem bóson. Na verdade, esses anyons agem como sua própria antipartícula e obedecem às estatísticas exóticas de quasipartículas não-Abelianas, o que os torna candidatos interessantes como portadores de informação quântica.

De fato, devido à sua proteção topológica contra perturbações externas, esses férmions exóticos foram previstos para oferecer uma solução potencial para um problema comum na computação quântica, que é manter longos tempos de coerência - ou seja, a escala de tempo em que as informações quânticas podem ser armazenadas e processadas.

A computação quântica topológica baseada em Majorana é frequentemente considerada um dos problemas físicos mais desafiadores de nosso tempo. Recebeu imensa atenção e escrutínio da mídia, especialmente recentemente, destacando a importância de continuar a pesquisa em materiais alternativos e plataformas de dispositivos em que a computação quântica topológica pode ser realizada.

O papel, Isoladores Atomicamente Finos de Spin Quantum (Michael S. Lodge, Shengyuan A. Yang, Shantanu Mukherjee, e Bent Weber) foi publicado em Materiais avançados em abril de 2021.