Calle unidireccional cuántica en nanocables aislantes topológicos

Calle unidireccional cuántica en nanocables aislantes topológicos


12 de mayo de 2022

(Noticias de Nanowerk) Un grupo internacional de científicos ha demostrado que los cables más de 100 veces más delgados que un cabello humano pueden actuar como una calle cuántica de un solo sentido para los electrones si están hechos de un material especial conocido como aislante topológico.

El descubrimiento allana el camino para nuevas aplicaciones tecnológicas de dispositivos fabricados con aisladores topológicos y marca un paso significativo hacia el logro de los llamados qubits topológicos, que se ha predicho que pueden codificar información de manera robusta para una computadora cuántica.

Para lograr este resultado, físicos experimentales de la Universidad de Colonia trabajaron en el grupo del profesor Dr. Yoichi Ando en estrecha colaboración con los grupos del profesor Dr. Yelena Klinovaja y el profesor Dr. Daniel Loss en la Universidad de Basilea. Ando también es ponente del Cluster de Excelencia Materia y Luz para Computación Cuántica (ML4Q).

El estudio ha sido publicado ahora en nanotecnología de la naturaleza («Enorme anisotropía magnetoquiral de los estados superficiales confinados cuánticos de nanocables aislantes topológicos»).

Los aisladores topológicos son materiales en los que una combinación de mecánica cuántica y el concepto matemático de topología, una combinación que ganó el Premio Nobel en 2016, crea superficies conductoras e interiores aislantes. Los aisladores topológicos son candidatos prometedores para futuras tecnologías y como plataformas potenciales para la computación cuántica.

Los investigadores demostraron que, en las circunstancias adecuadas, las corrientes eléctricas pueden fluir más fácilmente en una dirección que en la otra, un proceso conocido como rectificación. La rectificación es la base de la mayoría de las tecnologías inalámbricas y, por lo tanto, tiene una amplia gama de aplicaciones.

Sin embargo, a diferencia de los rectificadores que se encuentran en los teléfonos inteligentes, por ejemplo, el efecto de rectificación actual descubierto en los nanocables aislantes topológicos surge como resultado de la mecánica cuántica y es extremadamente controlable. Normalmente, los efectos de rectificación de la mecánica cuántica son minúsculos. Sin embargo, el nivel único de control que permiten las modernas técnicas de fabricación de dispositivos dio como resultado un gigantesco efecto de rectificación cuántica en los nanocables aislantes topológicos, mucho más grande que cualquiera de los descubiertos anteriormente.

Normalmente, los efectos de rectificación cuántica surgen como resultado de algo llamado acoplamiento espín-órbita, que en realidad es un híbrido de la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad de Einstein.

“Esta extraña mezcla generalmente da como resultado pequeños efectos de rectificación. Lo mejor de los nanocables aislantes topológicos es que podemos sintetizar esencialmente la misma física, pero a una escala mucho mayor. Esto conduce a un efecto de rectificación que es realmente enorme en comparación con otros materiales. Este es también uno de los aspectos que hacen que los aisladores topológicos sean tan emocionantes para aplicaciones en computación cuántica», dijo el Dr. Henry Legg, Georg H. Endress Postdoctorado en la Universidad de Basilea y primer autor de la publicación.

La ley de Ohm establece que la corriente que fluye a través de un dispositivo está determinada por la caída de voltaje y una cantidad conocida como resistencia. Sin embargo, cuando se trata de mecánica cuántica, a veces es necesario corregir la ley de Ohm.

Específicamente, cuando un material o dispositivo no se ve igual cuando se reflejan todas sus propiedades espaciales, lo que se denomina simetría de inversión espacial rota, la aplicación de un campo magnético significa que la versión cuántica de la ley de Ohm permite que la corriente fluya más fácilmente en una dirección. comparado con el otro. La magnitud de la rectificación de corriente está determinada por la diferencia de resistencias en cada dirección.

El alto nivel de control posible en los dispositivos aisladores topológicos permitió al equipo de investigación lograr un efecto de rectificación verdaderamente gigantesco en comparación con lo que se había observado anteriormente.

«Fue muy emocionante cuando vimos lo que la teoría había predicho. El efecto de rectificación es bien controlable con pequeños cambios en el voltaje de la puerta, y esto podría tener implicaciones tecnológicas prometedoras», dijo Matthias Rößler, estudiante de doctorado de último año en el grupo de Yoichi Ando y coautor del trabajo. «Tomó muchas noches en el laboratorio, pero valió la pena».

Los aisladores topológicos se han considerado durante mucho tiempo buenos candidatos para servir como base para las computadoras cuánticas topológicas que prometen un poder de cómputo sin precedentes. Sin embargo, un buen control sobre los dispositivos aisladores topológicos es esencial para poder generar qubits topológicos.

“Nuestro estudio demuestra otro fenómeno cuántico novedoso posible en dispositivos aisladores topológicos y destaca sus posibles aplicaciones tecnológicas. También es otra prueba importante de que los aisladores topológicos son plataformas ideales para alojar Majoranas. El descubrimiento de Majoranas sería un verdadero punto de inflexión para la computación cuántica”, dice Yoichi Ando, ​​profesor de Física Experimental de la Universidad de Colonia y portavoz del Cluster of Excellence ML4Q.



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