I ricercatori della Penn State hanno introdotto una struttura di materiali innovativa che consente una nuova forma di superconduttività, cruciale per il progresso dell’informatica quantistica e l’esplorazione delle particelle teoriche chirali di Majorana.
Lo studio ha dimostrato che utilizzando l’epitassia del fascio molecolare per sintetizzare eterostrutture formate impilando insieme due materiali magnetici, un isolante topologico ferromagnetico (TI) e un calcogenuro di ferro antiferromagnetico (FeTe) la superconduttività emergente indotta dall’interfaccia in queste eterostrutture dimostra la co-occorrenza di superconduttività, ferromagnetismo e struttura a bande topologiche nello strato TI magnetico, i tre ingredienti essenziali della superconduttività topologica chirale (TSC).
In sostanza, la combinazione di materiali magnetici in una struttura a wafer può portare alla superconduttività emergente, segnando un passo avanti significativo nella creazione di superconduttori topologici chirali e potenzialmente aprendo nuove strade nella ricerca sull’informatica quantistica.
Una fusione di materiali rivoluziona la superconduttività
Una nuova fusione di materiali, ciascuno con proprietà elettriche speciali, ha generato una lega con tutti i componenti necessari per un tipo unico di superconduttività che potrebbe fornire la base per un calcolo quantistico più solido. La nuova combinazione di materiali, creata da un team guidato da ricercatori della Penn State, potrebbe anche fornire una piattaforma per esplorare comportamenti fisici simili a quelli di misteriose particelle teoriche note come Majorana chirali, che potrebbero essere un altro componente promettente per l’informatica quantistica.
Il nuovo studio è stato recentemente pubblicato sulla rivista Science. Il lavoro ha descritto come i ricercatori hanno combinato i due materiali magnetici in quello che hanno definito un passo fondamentale verso la realizzazione della superconduttività interfacciale emergente, alla quale stanno attualmente lavorando.
I superconduttori – materiali privi di resistenza elettrica – sono ampiamente utilizzati nei circuiti digitali, i potenti magneti nella risonanza magnetica (MRI) e negli acceleratori di particelle e in altre tecnologie in cui è fondamentale massimizzare il flusso di elettricità. Quando i superconduttori vengono combinati con materiali chiamati isolanti topologici magnetici – pellicole sottili spesse solo pochi atomi che sono state rese magnetiche e limitano il movimento degli elettroni verso i loro bordi – le nuove proprietà elettriche di ciascun componente lavorano insieme per produrre “superconduttori topologici chirali”.
La topologia, ovvero geometrie e simmetrie specializzate della materia, genera fenomeni elettrici unici nel superconduttore, che potrebbero facilitare la costruzione di computer quantistici topologici.
I computer quantistici hanno il potenziale per eseguire calcoli complessi in una frazione del tempo necessario ai computer tradizionali poiché, a differenza dei computer tradizionali che memorizzano i dati come uno o zero, i qubit quantistici memorizzano i dati simultaneamente in una gamma di stati possibili.
I computer quantistici topologici migliorano ulteriormente il calcolo sfruttando il modo in cui sono organizzate le proprietà elettriche per rendere i computer robusti alla decoerenza, o alla perdita di informazioni che si verifica quando un sistema quantistico non è perfettamente isolato.
superconduttività: innovazione nella combinazione di materiali
Cui-Zu Chang, Professore di carriera iniziale di Henry W. Knerr e Professore associato di fisica alla Penn State e co-autore corrispondente ha dichiarato: “La creazione di superconduttori topologici chirali è un passo importante verso il calcolo quantistico topologico che potrebbe essere ampliato. La superconduttività topologica chirale richiede tre ingredienti: superconduttività, ferromagnetismo e una proprietà chiamata ordine topologico. In questo studio, abbiamo prodotto un sistema con tutte e tre queste proprietà”.
I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata epitassia a fascio molecolare per impilare insieme un isolante topologico che è stato reso magnetico e un calcogenuro di ferro (FeTe), un promettente metallo di transizione per sfruttare la superconduttività. L’isolante topologico è un ferromagnete – un tipo di magnete i cui elettroni ruotano nello stesso modo – mentre FeTe è un antiferromagnete, i cui elettroni ruotano in direzioni alternate.
Il team ha utilizzato una varietà di tecniche di imaging e altri metodi per caratterizzare la struttura e le proprietà elettriche del materiale combinato risultante e hanno confermato la presenza di tutti e tre i componenti critici della superconduttività topologica chirale all’interfaccia tra i materiali.
Esplorazione della superconduttività e del ferromagnetismo
Il lavoro precedente nel campo si è concentrato sulla combinazione di superconduttori e isolanti topologici non magnetici. Secondo i ricercatori, aggiungere il ferromagnete è stato particolarmente impegnativo.
Chao-Xing Liu, Professore di fisica alla Penn State e coautore dell’articolo, ha affermato: “Normalmente, la superconduttività e il ferromagnetismo competono tra loro, quindi è raro trovare una solida superconduttività in un sistema di materiale ferromagnetico. Ma in questo sistema è in realtà molto resistente al ferromagnetismo”
Il gruppo di ricerca sta ancora esplorando il motivo per cui la superconduttività e il ferromagnetismo coesistono in questo sistema.
Chang ha aggiunto: “In realtà questo è piuttosto interessante poiché abbiamo due materiali magnetici che non sono superconduttori, ma li mettiamo insieme e l’interfaccia tra questi due composti produce una superconduttività molto robusta. Il calcogenuro di ferro è antiferromagnetico e prevediamo che la sua proprietà antiferromagnetica venga indebolita attorno all’interfaccia, per dare origine alla superconduttività emergente, ma abbiamo bisogno di più esperimenti e lavoro teorico per verificare se questo è vero e per chiarire il meccanismo superconduttore”.
I ricercatori hanno affermato di ritenere che questo sistema sarà utile nella ricerca di sistemi materiali che mostrino comportamenti simili a quelli delle particelle di Majorana – particelle subatomiche teoriche ipotizzate per la prima volta nel 1937. Le particelle di Majorana agiscono come la propria antiparticella, una proprietà unica che potrebbe potenzialmente consentire loro di essere utilizzati come qubit quantistici.
Chang ha concluso: “Fornire prove sperimentali dell’esistenza di Majorana chirale sarà un passo fondamentale nella creazione di un computer quantistico topologico. Il nostro campo ha avuto un passato difficile nel tentativo di trovare queste particelle sfuggenti, ma riteniamo che questa sia una piattaforma promettente per esplorare la fisica di Majorana”.
