La formación de la heteroestructura de un material bidimensional en capas, imaginado como bloques tipo Lego que encajan entre sí. Crédito: Elizabeth Floresgómez Murray
Un equipo internacional de investigadores descubrió que una nueva forma de heteroestructura compuesta de materiales bidimensionales (2D) en capas puede ayudar a superar los principales obstáculos para el uso generalizado de la computación cuántica.
El estudio, publicado en la revista Nature Materials, fue realizado por un equipo del Penn State Center for Nanoscale Science (CNS), que es uno de los 19 Materials Research Science and Engineering Centers (MRSEC) de EE. UU. con el apoyo de la National Science Foundation. . .
Una computadora típica consta de miles de millones de transistores, conocidos como bits, y se rigen por código binario («0» = apagado y «1» = encendido). Un bit cuántico, también conocido como qubit, se basa en la mecánica cuántica y puede ser «0» y «1» al mismo tiempo. Esto se conoce como superposición y podría permitir que las computadoras cuánticas sean más poderosas que las computadoras clásicas normales.
Sin embargo, existe un problema con la construcción de una computadora cuántica.
«IBM, Google y otros están tratando de hacer y escalar computadoras cuánticas basadas en qubits superconductores», dijo Jun Zhu, profesor de física en Penn State y autor correspondiente del estudio. “Cómo minimizar el efecto negativo de un entorno clásico, que provoca errores en el funcionamiento de una computadora cuántica, es un problema fundamental de la computación cuántica”.
Se puede encontrar una solución a este problema en una versión exótica de un qubit conocido como qubit topológico.
«Se espera que los qubits basados en superconductores topológicos estén protegidos por el aspecto topológico de la superconductividad y, por lo tanto, sean más robustos contra los efectos destructivos del medio ambiente», dijo Zhu.
Un qubit topológico se refiere a la topología en matemáticas, donde una estructura sufre cambios físicos, como doblarse o estirarse, y aún conserva las propiedades de su forma original. Es un tipo teórico de qubit y aún no se ha realizado, pero la idea básica es que las propiedades topológicas de ciertos materiales pueden proteger el estado cuántico de ser perturbado por el entorno clásico.
Actualmente, hay mucho enfoque en la computación cuántica topológica, según Cequn Li, estudiante graduado en física y primer autor del estudio.
«La computación cuántica es un tema muy candente y la gente está pensando en cómo construir una computadora cuántica con menos errores informáticos», dijo Li. “Una computadora cuántica topológica es una forma atractiva de hacer esto. Pero una clave para la computación cuántica topológica es desarrollar los materiales adecuados para ello”.
Los investigadores del estudio dieron un paso en esa dirección al desarrollar un tipo de material en capas llamado heteroestructura. La heteroestructura en estudio consta de una capa de un material aislante topológico, telururo de antimonio y bismuto o (Bi,Sb)2Te3, y una capa de material superconductor, galio.
“Desarrollamos una técnica de medición especial para probar la superconductividad inducida por proximidad en la superficie de la película (Bi, Sb) 2Te3”, dijo Zhu. “La superconductividad inducida por proximidad es un mecanismo clave para realizar un superconductor topológico. Nuestro trabajo mostró que en realidad ocurre en la superficie de la película (Bi,Sb)2Te3. Este es un primer paso hacia la realización de un superconductor topológico”.
Sin embargo, tal heteroestructura aislante topológica/superconductora es difícil de crear.
“Por lo general, no es fácil porque los diferentes materiales tienen diferentes estructuras de celosía”, dijo Li. “Además, si junta dos materiales, pueden reaccionar químicamente entre sí y terminar con una interfaz confusa”.
Por lo tanto, los investigadores están utilizando una técnica de síntesis conocida como heteroepitaxia de confinamiento, que se está explorando en MRSEC. Esto implica insertar una capa de grafeno epitaxial, que es una lámina de átomos de carbono de uno o dos átomos de espesor, entre la capa de galio y la capa de (Bi,Sb)2Te3. Li señala que esto permite que las capas interactúen y se combinen, como juntar bloques de Lego.
«El grafeno separa estos dos materiales y actúa como una barrera química», dijo Li. “De esa manera, no hay reacciones negativas entre ellos y terminamos con una interfaz realmente agradable”.
Además, los investigadores demostraron que esta técnica es escalable a nivel de oblea, lo que la convertiría en una opción atractiva para la computación cuántica del futuro. Una oblea es una rebanada redonda de material semiconductor que sirve como sustrato para la microelectrónica.
«Nuestra heteroestructura tiene todos los elementos para un superconductor topológico, pero quizás lo más importante es que es una película delgada y potencialmente escalable», dijo Li. «Por lo tanto, una película delgada a escala de oblea tiene un gran potencial para futuras aplicaciones, como la construcción de una computadora cuántica topológica».
Esta investigación fue un esfuerzo combinado del equipo IRG1 – 2D Polar Metals and Heterostructures en CNS, dirigido por Zhu y Joshua Robinson, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State. Otros profesores involucrados en la investigación incluyen a Cui-Zu Chang, profesor de carrera temprana de Henry W. Knerr y profesor asociado de física, y Danielle Reifsnyder Hickey, profesora asistente de química y ciencia e ingeniería de materiales.
“Este ha sido un trabajo en equipo notable por parte del equipo IRG1 de nuestro MRSEC”, dijo Zhu. “El grupo Robinson hizo crecer la película atómica de galio de dos capas usando heteroepitaxia de confinamiento, el grupo Chang hizo crecer la película aislante topológica usando epitaxia de haz molecular, y el grupo Reifsnyder Hickey y el equipo del Instituto de Investigación de Materiales realizaron la caracterización a escala atómica de heteroestructura y dispositivos.»
El siguiente paso es refinar el proceso y llevarlo un paso más allá para hacer realidad una computadora cuántica topológica.
“El material es clave, por lo que nuestros colaboradores están tratando de mejorarlo”, dijo Li. “Eso significa mejor uniformidad y mayor calidad. Y nuestro grupo está tratando de hacer dispositivos más avanzados en este tipo de heteroestructura para probar las firmas de la superconductividad topológica”.
Referencia: «Superconductividad inducida por proximidad en heteroestructuras de aisladores topológicos epitaxiales/grafeno/galio» por Cequn Li, Yi-Fan Zhao, Alexander Vera, Omri Lesser, Hemian Yi, Shalini Kumari, Zijie Yan, Chengye Dong, Timothy Bowen, Ke Wang, Haiying Wang, Jessica L. Thompson, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Danielle Reifsnyder Hickey, Yuval Oreg, Joshua A. Robinson, Cui-Zu Chang y Jun Zhu, 13 de febrero de 2023, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-023-01478-4
El estudio fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias a través del programa MRSEC.
