Un material potencialmente útil para la construcción de computadoras cuánticas ha sido descubierto en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST, cuyos científicos han encontrado un superconductor que podría eludir uno de los principales obstáculos que se interponen en el camino de los circuitos de lógica cuántica efectivos.
Propiedades recientemente descubiertas en el compuesto ditelurida de uranio, o UTe2, muestran que podría resultar altamente resistente a uno de los némesis del desarrollo de la computadora cuántica: la dificultad de hacer que los interruptores de almacenamiento de memoria de una computadora, llamados qubits, funcionen lo suficiente como paraterminar un cálculo antes de perder la delicada relación física que les permite operar como un grupo. Esta relación, llamada coherencia cuántica, es difícil de mantener debido a las perturbaciones del mundo circundante.
La inusual y fuerte resistencia del compuesto a los campos magnéticos lo convierte en un ave rara entre los materiales superconductores SC, que ofrecen distintas ventajas para el diseño de qubit, principalmente su resistencia a los errores que pueden introducirse fácilmente en la computación cuántica. Los comportamientos excepcionales de UTe2 podrían haceres atractivo para la naciente industria de las computadoras cuánticas, según Nick Butch, del equipo de investigación.
"Este es potencialmente el silicio de la era de la información cuántica", dijo Butch, físico del Centro de Investigación de Neutrones del NIST NCNR. "Se podría usar ditelururo de uranio para construir los qubits de una computadora cuántica eficiente".
Los resultados de la investigación del equipo, que también incluye a científicos de la Universidad de Maryland y el Laboratorio Ames, aparecen hoy en la revista ciencia . Su artículo detalla las propiedades poco comunes de UTe2, que son interesantes desde la perspectiva de la aplicación tecnológica y la ciencia fundamental.
Uno de ellos es la forma inusual en que los electrones que conducen la electricidad a través de UTe2 se asocian. En el alambre de cobre o algún otro conductor ordinario, los electrones viajan como partículas individuales, pero en todos los SC forman lo que se llama pares de Cooper. Las interacciones electromagnéticas queporque estos emparejamientos son responsables de la superconductividad del material. La explicación de este tipo de superconductividad se denomina teoría BCS por los tres científicos que descubrieron los emparejamientos y compartieron el Premio Nobel por hacerlo.
Lo que es específicamente importante para este emparejamiento de Cooper es una propiedad que tienen todos los electrones. Conocido como "espín" cuántico, hace que los electrones se comporten como si cada uno de ellos tuviera una pequeña barra magnética que los atraviesa. En la mayoría de los SC, los electrones emparejados tienen suespines cuánticos orientados de una sola manera: un electrón apunta hacia arriba, mientras que su compañero apunta hacia abajo. Este emparejamiento opuesto se llama singlete de espín.
Sin embargo, una pequeña cantidad de superconductores conocidos son inconformistas, y UTe2 parece estar entre ellos. Sus pares de Cooper pueden tener sus giros orientados en una de tres combinaciones, lo que los hace girar tripletes. Estas combinaciones permiten los giros de pares de CooperSe predice que la mayoría de los SC de triplete de espín también serán SC "topológicos", con una propiedad muy útil en la que la superconductividad se produciría en la superficie del material y seguiría siendo superconductora incluso en elfrente a perturbaciones externas.
"Estos pares de espines paralelos podrían ayudar a que la computadora siga funcionando", dijo Butch. "No puede colapsar espontáneamente debido a fluctuaciones cuánticas".
Todas las computadoras cuánticas hasta este momento han necesitado una forma de corregir los errores que se arrastran desde su entorno. Se ha entendido durante mucho tiempo que las SC tienen ventajas generales como base para los componentes de la computadora cuántica, y varios avances comerciales recientes en el desarrollo de computadoras cuánticashan involucrado circuitos hechos de superconductores.Las propiedades de un SC topológico, que una computadora cuántica podría emplear, tendrían la ventaja adicional de no necesitar corrección de errores cuánticos.
"Queremos un SC topológico porque le proporcionaría qubits sin errores. Podrían tener una vida útil muy larga", dijo Butch. "Los SC topológicos son una ruta alternativa a la computación cuántica porque protegerían al qubit del medio ambiente".
El equipo se topó con UTe2 mientras exploraba los imanes a base de uranio, cuyas propiedades electrónicas se pueden ajustar según se desee cambiando su química, presión o campo magnético, una característica útil que se debe tener cuando se desean materiales personalizables ninguno de estos parámetros es válido.basado en la radiactividad. El material contiene "uranio empobrecido", que es solo ligeramente radiactivo. Los qubits hechos de UTe2 serían diminutos, y el resto de la computadora los podría proteger fácilmente de su entorno.
El equipo no esperaba que el compuesto poseyera las propiedades que descubrieron.
"UTe2 se creó por primera vez en la década de 1970, e incluso artículos de investigación bastante recientes lo describieron como poco notable", dijo Butch. "Por casualidad, producimos algo de UTe2 mientras sintetizábamos materiales relacionados, por lo que lo probamos a temperaturas más bajas paraver si tal vez se pudo haber pasado por alto algún fenómeno. Rápidamente nos dimos cuenta de que teníamos algo muy especial en nuestras manos ".
El equipo del NIST comenzó a explorar UTe2 con herramientas especializadas tanto en el NCNR como en la Universidad de Maryland. Vieron que se volvía superconductor a bajas temperaturas por debajo de -271,5 grados Celsius o 1,6 kelvin. Sus propiedades superconductoras se parecían a las de los superconductores rarosque también son simultáneamente ferromagnéticos, actuando como imanes permanentes de baja temperatura. Sin embargo, curiosamente, UTe2 en sí mismo no es ferromagnético.
"Eso hace que UTe2 sea fundamentalmente nuevo por esa sola razón", dijo Butch.
También es muy resistente a los campos magnéticos. Normalmente, un campo destruirá la superconductividad, pero dependiendo de la dirección en la que se aplique el campo, UTe2 puede soportar campos de hasta 35 tesla. Esto es 3500 veces más fuerte que un refrigerador típico.imán, y muchas veces más de lo que pueden soportar la mayoría de los SC topológicos de baja temperatura.
Si bien el equipo aún no ha demostrado de manera concluyente que UTe2 sea un SC topológico, Butch dice que esta resistencia inusual a los campos magnéticos fuertes significa que debe ser un SC triplete de espín y, por lo tanto, es probable que también sea un SC topológico.también podría ayudar a los científicos a comprender la naturaleza de UTe2 y quizás la superconductividad en sí.
"Explorarlo más podría darnos una idea de lo que estabiliza estos SC de espín paralelo", dijo. "Un objetivo principal de la investigación de SC es poder comprender la superconductividad lo suficientemente bien como para saber dónde buscar materiales SC no descubiertos.Ahora mismo no podemos hacer eso. ¿Qué es lo esencial de ellos? Esperamos que este material nos diga más ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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