Um simples ajuste químico poderia sobrecarregar computadores quânticos

Pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago (UChicago PME) e da Universidade de West Virginia demonstraram agora uma maneira prática de colocar esses materiais ao seu alcance. Ao ajustar ligeiramente uma fórmula química, eles foram capazes de alterar a forma como um grande número de elétrons interagem dentro do material, guiando-o para um estado supercondutor topológico.

A equipe se concentrou em filmes ultrafinos feitos de dois elementos, telúrio e selênio. Ao alterar cuidadosamente a proporção desses elementos, eles descobriram que poderiam empurrar o material de uma fase quântica para outra, incluindo a procurada fase supercondutora topológica.

Seus resultados, publicados em Comunicações da Naturezamostram que a modificação da proporção entre telúrio e selênio altera a intensidade com que os elétrons influenciam uns aos outros. Essas correlações eletrônicas atuam como um mecanismo de ajuste fino, permitindo aos cientistas projetar deliberadamente estados quânticos incomuns.

“Podemos ajustar esse efeito de correlação como um mostrador”, disse Haoran Lin, estudante de pós-graduação da UChicago PME e primeiro autor do novo trabalho. “Se as correlações forem muito fortes, os elétrons ficam congelados no lugar. Se forem muito fracos, o material perde suas propriedades topológicas especiais. Mas no nível certo, você obtém um supercondutor topológico.”

“Isso abre uma nova direção para a pesquisa de materiais quânticos”, disse Shuolong Yang, professor assistente de Engenharia Molecular e autor sênior do novo trabalho. “Desenvolvemos uma ferramenta poderosa para projetar o tipo de materiais que os computadores quânticos da próxima geração precisarão”.

Seleneto de telureto de ferro e efeitos quânticos concorrentes

O material no centro do estudo, o seleneto de telureto de ferro, foi descoberto há relativamente pouco tempo e é conhecido por combinar supercondutividade com comportamento topológico incomum.

“Este é um material único porque reúne todos os ingredientes essenciais que se esperaria de uma plataforma para supercondutividade topológica: a própria supercondutividade, forte acoplamento spin-órbita e correlações eletrônicas pronunciadas”, disse Subhasish Mandal, professor assistente de física na Universidade de West Virginia e autor do novo artigo. “Essa combinação o torna um sistema ideal para explorar como diferentes efeitos quânticos interagem e competem.”

Anteriormente, os cientistas produziram este material em forma de cristal a granel e observaram estados quânticos intrigantes. No entanto, os cristais volumosos são difíceis de manipular e a sua composição química pode variar de uma região para outra, dificultando a obtenção de resultados consistentes.

Filmes finos para dispositivos quânticos estáveis

Os supercondutores topológicos são especialmente atraentes para tecnologias quânticas porque seus estados topológicos são naturalmente estáveis ​​e menos vulneráveis ​​ao ruído que perturba a maioria dos sistemas quânticos.

Os filmes ultrafinos desenvolvidos pelo grupo de Yang oferecem diversas vantagens sobre outros candidatos a supercondutores topológicos. Eles operam em temperaturas de até 13 Kelvin, em comparação com cerca de 1 Kelvin para plataformas baseadas em alumínio. Essa temperatura operacional mais alta facilita o resfriamento usando sistemas padrão de hélio líquido. Além disso, os filmes finos proporcionam maior uniformidade e são mais compatíveis com as técnicas modernas de fabricação de dispositivos do que os cristais a granel.

“Se você está tentando usar este material para uma aplicação real, você precisa ser capaz de cultivá-lo em uma película fina, em vez de tentar esfoliar camadas de uma rocha que pode não ter uma composição consistente”, explicou Lin.

Várias equipes de pesquisa já estão trabalhando com o grupo de Yang para padronizar esses filmes e construir protótipos de dispositivos quânticos. Ao mesmo tempo, os pesquisadores continuam investigando outras características do seleneto de telureto de ferro de película fina para compreender melhor seu potencial para a computação quântica da próxima geração.