Los físicos que estudian el extraño comportamiento de las aleaciones metálicas llamadas fermiones pesados han hecho un descubrimiento sorprendente que podría ser útil para salvaguardar la información almacenada en bits cuánticos, o qubits, las unidades básicas de información codificada en computadoras cuánticas.
En un estudio en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias , investigadores de la Universidad Rice y la Universidad Tecnológica de Viena TU Wien en Austria examinaron el comportamiento de un cristal intermetálico de cerio, paladio y silicio, ya que fue sometido a un frío extremo y un fuerte campo magnético. Para su sorpresa, ellosdescubrieron que podían transformar el comportamiento cuántico del material de dos maneras únicas, una en la que los electrones compiten para ocupar los orbitales y otra en la que compiten para ocupar los estados de espín.
"El efecto es tan pronunciado con un grado de libertad que termina liberando al otro", dijo Qimiao Si de Rice, co-autor corresponsal del estudio y director del Centro Rice para Materiales Cuánticos RCQM ".Básicamente, puede ajustar el sistema para maximizar el daño a uno de estos, dejando el otro bien definido ".
Si dijo que el resultado podría ser importante para compañías como Google, IBM, Intel y otras que compiten por desarrollar computadoras cuánticas. A diferencia de las computadoras digitales actuales, que usan electricidad o luz para codificar bits de información, las computadoras cuánticas usan los estados cuánticos departículas subatómicas como los electrones para almacenar información en qubits. Una computadora cuántica práctica podría superar a su contraparte digital de muchas maneras, pero la tecnología aún está en pañales, y uno de los principales obstáculos es la fragilidad de los estados cuánticos dentro de los qubits.
"Necesita un estado cuántico bien definido si desea estar seguro de que la información que se almacena en un qubit no cambiará debido a la interferencia de fondo", dijo Si.
Cada electrón actúa como un imán giratorio, y su giro se describe en uno de dos valores, arriba o abajo. En muchos diseños de qubits, la información está codificada en estos giros, pero estos estados pueden ser tan frágiles que incluso pequeñas cantidades de luz, el calor, la vibración o el sonido pueden hacer que cambien de un estado a otro. Minimizar la información que se pierde con tal "decoherencia" es una preocupación importante en el diseño de qubit, dijo Si.
En el nuevo estudio, Si trabajó con la colaboradora de mucho tiempo Silke Paschen de TU Wien para estudiar un material donde los estados cuánticos de los electrones estaban codificados no solo en términos de sus espines sino también en términos de sus orbitales.
"Diseñamos un sistema, realizado en algunos modelos teóricos y realizado simultáneamente en un material, donde los giros y los orbitales están casi en pie de igualdad y están fuertemente acoplados", dijo.
De una investigación previa en 2012, Si, Paschen y sus colegas sabían que los electrones en el compuesto podrían interactuar tan fuertemente que el material sufriría un cambio dramático a una temperatura críticamente fría. A cada lado de este "punto crítico cuántico,"los electrones en los orbitales clave se organizarían de una manera completamente diferente, y el cambio se produciría únicamente debido a las interacciones cuánticas entre ellos".
El estudio anterior invocó una teoría bien conocida Si y sus colaboradores desarrollaron en 2001 que prescribe cómo los espines de estos electrones localizados, que son parte de los átomos dentro de la aleación, se acoplan fuertemente con los electrones de conducción de flujo libre en el punto crítico cuántico.Según esta teoría de la "crítica cuántica local", a medida que el material se enfría y se acerca al punto crítico, los espines de los electrones localizados y los electrones de conducción comienzan a competir para ocupar estados particulares de espín. El punto crítico cuántico es el punto de inflexión donde esta competencia destruyela disposición ordenada de los electrones localizados y, en cambio, se enredan por completo con los electrones de conducción.
Aunque Si ha estudiado la criticidad cuántica durante casi 20 años, se sorprendió por los resultados de los últimos experimentos de Paschen.
"La nueva información fue completamente desconcertante para todos nosotros", dijo. "Es decir, hasta que nos dimos cuenta de que el sistema contenía no solo giros sino también orbitales como grados activos de libertad".
Con esa comprensión, el equipo de Si, incluido el estudiante graduado de Rice Ang Cai, construyó un modelo teórico que contiene tanto los giros como los orbitales. Su análisis detallado del modelo reveló una forma sorprendente de criticidad cuántica que proporcionó una comprensión clara de los experimentos.
"Fue un shock para mí, tanto desde la perspectiva del modelo teórico como desde los experimentos", dijo. "Aunque esto es una sopa de cosas: giros, orbitales que están fuertemente acoplados entre sí y con la conducción de fondoelectrones: podríamos resolver dos puntos críticos cuánticos en este sistema bajo la sintonía de un parámetro, que es el campo magnético. Y en cada uno de los puntos críticos cuánticos, solo el giro o el orbital está impulsando la criticidad cuántica.otro es más o menos un espectador "
Si es la profesora Harry C. y Olga K. Wiess en el Departamento de Física y Astronomía de Rice.
Los coautores del estudio son Cai y Valentina Martelli, anteriormente de TU Wien y ahora con la Universidad de São Paulo en Brasil. Otros coautores incluyen Chia-Chuan Liu y Hsin-Hua Lai, ambos de Rice; Emilian Nica, anteriormente de Rice y actualmente en la Universidad de Columbia Británica; Rong Yu, anteriormente de Rice y actualmente en la Universidad Renmin de China; Mathieu Taupin, Andrey Prokofiev, Diana Geiger, Jonathan Haenel y Julio Larrea, todos de TU Wien; Kevin Ingersent dela Universidad de Florida; Robert Küchler del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Dresden, Alemania; y Andre Strydom de la Universidad de Johannesburgo en Sudáfrica.
La investigación fue apoyada por la National Science Foundation DMR-1920740, CNS-1338099, PHY-1607611, DMR-1508122, la Fundación Robert A. Welch C-1411, la Oficina de Investigación del Ejército ARO-W911NF-14-1-0525, ARO-W911NF-14-1-0496, el Fondo de Ciencia de Austria P29296-N27, DK W1243, el Consejo Europeo de Investigación Advanced Grant 227378, la Fundación Carlos Chagas Filho para Apoyo a la Investigación delEstado de Río de Janeiro 201.755 / 2015, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China 11674392, el Ministerio de Ciencia y Tecnología de China 2016YFA0300504, la Fundación Nacional de Investigación de Sudáfrica 93549, la Universidad de Johannesburgo y RCQM.
RCQM aprovecha las alianzas mundiales y las fortalezas de más de 20 grupos de investigación de Rice para abordar preguntas relacionadas con los materiales cuánticos. RCQM cuenta con el apoyo de las oficinas del rector y vice rector de investigación de Rice, la Escuela de Ciencias Naturales de Wiess, la Escuela Brownde Ingeniería, el Instituto Smalley-Curl y los departamentos de Física y Astronomía, Ingeniería Eléctrica e Informática, y Ciencia de Materiales y Nanoingeniería.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Jade Boyd. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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