Investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard John A. Paulson SEAS han hecho un descubrimiento que podría sentar las bases para dispositivos superconductores cuánticos. Su avance resuelve uno de los principales desafíos para la computación cuántica: cómo transmitir información de espín a través demateriales superconductores.
Todos los dispositivos electrónicos, desde una supercomputadora hasta un lavavajillas, funcionan controlando el flujo de electrones cargados. Pero los electrones pueden transportar mucha más información que solo carga; los electrones también giran, como un giroscopio en el eje.
Aprovechar el giro electrónico es realmente emocionante para el procesamiento de información cuántica porque no solo un electrón puede girar hacia arriba o hacia abajo, uno o cero, sino que también puede girar cualquier dirección entre los dos polos. Debido a que sigue las reglas de la mecánica cuánticaun electrón puede ocupar todas esas posiciones a la vez. Imagine el poder de una computadora que podría calcular todas esas posiciones simultáneamente.
Todo un campo de física aplicada, llamado spintronics, se centra en cómo aprovechar y medir el espín electrónico y construir equivalentes de espín de puertas y circuitos electrónicos.
Al usar materiales superconductores a través de los cuales los electrones pueden moverse sin ninguna pérdida de energía, los físicos esperan construir dispositivos cuánticos que requieran significativamente menos energía.
Pero hay un problema.
Según una propiedad fundamental de la superconductividad, los superconductores no pueden transmitir espín. Cualquier par de electrones que pase a través de un superconductor tendrá el espín combinado de cero.
En trabajos publicados recientemente en Física de la naturaleza , los investigadores de Harvard encontraron una manera de transmitir información de espín a través de materiales superconductores.
"Ahora tenemos una forma de controlar el giro de los electrones transmitidos en dispositivos superconductores simples", dijo Amir Yacoby, profesor de física y física aplicada en SEAS y autor principal del artículo.
Es fácil pensar en los superconductores como súper autopistas de partículas, pero una mejor analogía sería un carril súper compartido, ya que solo los electrones emparejados pueden moverse a través de un superconductor sin resistencia.
Estos pares se llaman Cooper Pairs e interactúan de una manera muy particular. Si la forma en que se mueven entre sí los físicos llaman a este impulso es simétrica, entonces el giro del par debe ser asimétrico, por ejemplo, unonegativo y uno positivo para un giro combinado de cero. Cuando viajan a través de un superconductor convencional, el impulso de Cooper Pairs debe ser cero y su órbita perfectamente simétrica.
Pero si puede cambiar el impulso a asimétrico, inclinado hacia una dirección, entonces el giro puede ser simétrico. Para hacer eso, necesita la ayuda de alguna física exótica también conocida como extraña.
Los materiales superconductores pueden imbuir a los materiales no superconductores con sus poderes conductores simplemente estando cerca. Usando este principio, los investigadores construyeron un sándwich superconductor, con superconductores en el exterior y telururo de mercurio en el medio. Los átomos en el telururo de mercurio sontan pesado y los electrones se mueven tan rápido que las reglas de la relatividad comienzan a aplicarse.
"Debido a que los átomos son tan pesados, tienes electrones que ocupan órbitas de alta velocidad", dijo Hechen Ren, coautor del estudio y estudiante graduado de SEAS. "Cuando un electrón se mueve tan rápido, su campo eléctrico se convierte en uncampo magnético que luego se acopla con el giro del electrón. Este campo magnético actúa sobre el giro y le da a un giro una energía más alta que a otra ".
Entonces, cuando los pares de Cooper golpean este material, su giro comienza a girar.
"Los pares de Cooper saltan al telururo de mercurio y ven este fuerte efecto de órbita de giro y comienzan a acoplarse de manera diferente", dijo Ren. "La raza homogénea de momento cero y giro combinado cero todavía está allí, pero ahora también hay una razade pares que ganan impulso, rompiendo la simetría de la órbita. La parte más importante de eso es que el giro ahora es libre de ser algo distinto de cero ".
El equipo pudo medir el giro en varios puntos a medida que las ondas de electrones se movían a través del material. Al usar un imán externo, los investigadores pudieron ajustar el giro total de los pares.
"Este descubrimiento abre nuevas posibilidades para almacenar información cuántica. El uso de la física subyacente detrás de este descubrimiento también ofrece nuevas posibilidades para explorar la naturaleza subyacente de la superconductividad en nuevos materiales cuánticos", dijo Yacoby.
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Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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