Fios muito finos feitos de um isolante topológico podem permitir qubits altamente estáveis, os blocos de construção dos futuros computadores quânticos. Os cientistas veem um novo resultado em dispositivos isolantes topológicos como um passo importante para a realização do potencial da tecnologia.
Um grupo internacional de cientistas demonstrou que fios mais de 100 vezes mais finos que um fio de cabelo humano podem agir como uma rua quântica de mão única para os elétrons quando feitos de um material peculiar conhecido como isolante topológico.

A descoberta abre o caminho para novas aplicações tecnológicas de dispositivos feitos de isoladores topológicos e demonstra um passo significativo no caminho para alcançar os chamados qubits topológicos, que foram previstos para codificar robustamente informações para um computador quântico.

Para alcançar este resultado, os grupos do professor Dr. Jelena Klinovaja e do professor Dr. Daniel Loss da Universidade de Basel colaboraram estreitamente com físicos experimentais da Universidade de Colônia no grupo do professor Dr. Yoichi Ando. Seu estudo já foi publicado na Nature Nanotechnology .

Os isolantes topológicos são materiais nos quais uma combinação da mecânica quântica e o conceito matemático de topologia produzem superfícies condutoras e interiores isolantes. Isoladores topológicos são candidatos altamente promissores para tecnologias futuras e como plataformas potenciais para computação quântica.

Os pesquisadores conseguiram mostrar que, nas circunstâncias certas, as correntes elétricas podem fluir mais facilmente em uma direção do que na outra, um processo conhecido como retificação. A retificação oferece uma ampla gama de aplicações e constitui a base da maioria das tecnologias sem fio.

Os retificadores encontrados em smartphones, por exemplo, agora são feitos de diodos semicondutores. No entanto, o efeito de retificação de corrente descoberto em nanofios isolantes topológicos surge como resultado da mecânica quântica e é extremamente controlável.

Normalmente, os efeitos de retificação quântica surgem como resultado de algo conhecido como acoplamento spin-órbita, que é uma mistura de mecânica quântica e teoria da relatividade de Einstein. Como se poderia esperar, essa mistura estranha normalmente resulta em pequenos efeitos de retificação.

"O que é ótimo sobre os nanofios isolantes topológicos é que podemos produzir artificialmente essencialmente a mesma física, mas com uma magnitude muito maior", diz o Dr. Henry Legg, bolsista de pós-doutorado Georg H. Endress na Universidade de Basel e primeiro autor do artigo. "Isso leva a um efeito de retificação que é realmente enorme em comparação com outros materiais. É também um dos aspectos que torna os isoladores topológicos tão interessantes para aplicações em computação quântica."

Além da lei de Ohm

A lei de Ohm afirma que a corrente que flui através de um dispositivo é governada pela queda de tensão através dele e uma quantidade conhecida como resistência. No entanto, quando a mecânica quântica está em jogo, a lei de Ohm às vezes precisa ser corrigida.

Em particular, se um material ou um dispositivo não parece o mesmo quando todas as suas propriedades espaciais são espelhadas - a chamada simetria de inversão espacial quebrada - aplicar um campo magnético significa que a versão quântica da lei de Ohm permite que a corrente flua mais facilmente em uma direção comparado ao outro. O tamanho da retificação de corrente é determinado pela diferença entre as resistências em cada direção.

O alto grau de controle possível em dispositivos isolantes topológicos permitiu que a equipe de pesquisadores alcançasse um efeito de retificação verdadeiramente gigantesco em relação ao que havia sido observado anteriormente.

Informações quânticas robustas

Os computadores quânticos prometem poder computacional sem precedentes, mas são muito suscetíveis à influência do ambiente externo. Uma solução proposta para a fragilidade das unidades quânticas de informação – os chamados qubits – são os qubits topológicos, que se prevê que sejam muito mais estáveis ​​contra as influências do ambiente externo. Essa proteção também surge como resultado da matemática da topologia que fundamenta as propriedades dos isolantes topológicos.

Isoladores topológicos têm sido considerados bons candidatos para serem a base para computadores quânticos topológicos. No entanto, um bom controle sobre os dispositivos isolantes topológicos é essencial para poder produzir qubits topológicos.

“Nosso estudo não apenas descobriu um efeito quântico único e muito grande, mas também mostra que temos um excelente grau de compreensão do que está acontecendo nesses sistemas. caminho para fazer qubits topológicos", diz a professora Dr. Jelena Klinovaja da Universidade de Basel. + Explorar mais

Primeiro bit quântico híbrido baseado em isolantes topológicos