I computer quantistici elaborano le informazioni utilizzando bit quantistici, o qubit, basati su una meccanica quantistica fragile e di breve durata stati. Per rendere i qubit robusti e adattarli alle applicazioni, i ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia hanno cercato di creare un nuovo sistema di materiali topologici.
Da sinistra, Matthew Brahlek, Robert Moore e Qiangsheng Lu sviluppano materiali superconduttori topologici per applicazioni di calcolo quantistico a sostegno del Quantum Science Center con sede presso ORNL. Credito immagine: Carlos Jones/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
“Stiamo perseguendo una nuova strada per creare computer quantistici utilizzando nuovi materiali”, ha affermato lo scienziato dei materiali dell’ORNL Robert Moore, che ha co-diretto un studio pubblicato in Materiale avanzato con il collega dell’ORNL Matthew Brahlek, anch’egli scienziato dei materiali.
Hanno accoppiato un superconduttore, che non offre resistenza alla corrente elettrica, con un isolante topologico, che ha superfici elettricamente conduttrici ma un interno isolante. Il risultato è un’interfaccia atomicamente nitida tra film sottili cristallini con diverse disposizioni simmetriche di atomi.
La nuova interfaccia che hanno progettato e ingegnerizzato potrebbe dare origine a una fisica esotica e ospitare un blocco quantistico unico con il potenziale di un qubit superiore.
Il collegamento dei fili all’interfaccia dell’isolante topologico e del superconduttore consente di sondare nuove proprietà elettroniche. I ricercatori mirano a qubit basati sulle particelle di Majorana teorizzate. Credito immagine: Carlos Jones/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
“L’idea è quella di realizzare qubit con materiali che abbiano proprietà quantomeccaniche più robuste”, ha affermato Moore.
“Ciò che è importante è che abbiamo imparato come controllare la struttura elettronica dell’isolante topologico e del superconduttore in modo indipendente, in modo da poter adattare la struttura elettronica a quell’interfaccia. Questo non era mai stato fatto.”
Il controllo della struttura elettronica su entrambi i lati di un’interfaccia può creare qualcosa chiamato particelle di Majorana all’interno del materiale.
“In natura abbiamo particelle e antiparticelle, ad esempio elettroni e positroni, che quando entrano in contatto si annichilano. Una particella di Majorana è la propria antiparticella”, ha detto Moore. Nel 1937 Ettore Majorana predisse l’esistenza di queste particelle esotiche, la cui esistenza resta da dimostrare.
Matt Brahlek dell’ORNL ha utilizzato l’epitassia a fascio molecolare per far crescere un’interfaccia a film sottile di materiali topologici isolanti e superconduttori, atomo per atomo. Credito immagine: Carlos Jones/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
Nel 2008, i fisici teorici Liang Fu e Charlie Kane dell’Università della Pennsylvania proposero che la creazione di una nuova interfaccia tra un isolante topologico e un superconduttore avrebbe generato superconduttività topologica, una nuova fase della materia che si prevede possa ospitare particelle di Majorana.
“Se hai una coppia di particelle di Majorana e le muovi l’una attorno all’altra, c’è una memoria di questo movimento. Conoscono sempre la posizione dell’altro”, ha detto Moore. “Questo processo potrebbe essere utilizzato per codificare le informazioni quantistiche ed eseguire calcoli in nuovi modi”.
Tuttavia, la realizzazione di una nuova fase della materia che possa ospitare particelle di Majorana dipende dalla scoperta del materiale giusto. Un simile risultato richiede un team diversificato di esperti.
Nell’ambito del Quantum Science Center con sede presso ORNL, Robert Moore sonda l’interfaccia tra un isolante topologico e un superconduttore con la spettroscopia di fotoemissione risolta in spin e angolo. Credito immagine: Carlos Jones/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
Quando Moore è arrivato all’ORNL nel 2019, ha portato una nuova esperienza nella spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo, o ARPES, una tecnica per sondare la struttura elettronica dei materiali.
L’ARPES si basa sull’effetto fotoelettrico, per il quale Albert Einstein vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1921. Focalizza una sorgente luminosa su un campione e caratterizza gli elettroni espulsi dalla superficie del materiale quando gli elettroni assorbono energia dai fotoni. La tecnica aiuta gli scienziati a capire come si comportano gli elettroni all’interno di un materiale.
Questo investimento strategico nelle competenze ARPES ha aiutato l’ORNL a vincere la sua offerta per guidare uno dei cinque centri nazionali di ricerca sulla scienza dell’informazione quantistica del DOE, il Centro di scienze quantistichelanciato nel 2020.
Guidato da Travis Humble dell’ORNL, il QSC mira a realizzare applicazioni di calcolo e rilevamento quantistico sviluppando hardware e algoritmi e scoprendo nuovi materiali. Moore e i suoi colleghi si concentrano sui materiali topologici per lo sviluppo dell’hardware.
Da aprile, Moore ha anche co-diretto ORNL Ecosistema scientifico interconnessoo INTERSECT, con Ben Mintz da sviluppare laboratori del futuro — processi ed esperimenti intelligenti e controllati autonomamente con il potenziale di rivoluzionare i risultati della ricerca.
Brahlek, entrato a far parte dell’ORNL nel 2018 e ha recentemente ricevuto un premio DOE Early Career Research, è un esperto nella sintesi di precisione dei materiali. Per realizzare interfacce superpulite tra un superconduttore e un isolante topologico, ha utilizzato l’epitassia a fascio molecolare, un metodo utilizzato dall’industria per la fabbricazione su larga scala di semiconduttori per dispositivi elettronici.
Con l’aiuto dell’ex borsista post-dottorato Tyler Smith, Brahlek ha eseguito la sintesi sotto vuoto ultraalto. “All’interno della camera ci sono meno molecole che rimbalzano rispetto allo spazio esterno. È un ambiente davvero pulito. Deve essere ben controllato”, ha detto Brahlek.
“Inizi con piccole fornaci, ciascuna contenente un elemento. Ogni forno riscalda fino a quando l’elemento al suo interno inizia a sublimare, ovvero a passare dallo stato solido a quello di vapore. Questo crea travi di elementi. Convergono tutti su un substrato cristallino e aderiscono”.
Ha co-depositato ferro, selenio e tellurio per creare un superconduttore spesso uno strato atomico. “Se si riescono a ottenere le condizioni esattamente giuste, gli atomi depositati si legheranno e si assembleranno chimicamente, strato atomico per strato atomico, in una pellicola sottile cristallina”, ha detto Brahlek.
“Una chiave per ottenere i risultati è stata capire come combinare il tellururo di bismuto con il tellururo di seleniuro di ferro su un’interfaccia atomica per ottenere il comportamento elettronico desiderato”, ha detto Brahlek.
Questo risultato è stato complicato perché il reticolo di ferro, selenio e tellurio del superconduttore comprende celle quadrate ordinate, mentre l’isolante topologico è una rete di triangoli adiacenti.
“Stiamo mettendo qualcosa di quadrato su qualcosa di triangolare, ma, sorprendentemente, la pellicola cristallina cresce bene”, ha detto Brahlek. “Questo risultato richiede la comprensione della fisica e della chimica che avvengono in queste interfacce, il che è fondamentale per combinare proprietà topologiche e superconduttrici in un’unica piattaforma”.
Quella piattaforma è il superconduttore topologico. Per comprendere le sue proprietà topologiche, Moore ha utilizzato ARPES risolto in spin, con l’aiuto del ricercatore post-dottorato dell’ORNL Qiangsheng Lu, per sondare la struttura elettronica quantistica dipendente dallo spin all’interfaccia dell’isolante topologico e del superconduttore.
Nel frattempo, per confermare il suo comportamento superconduttore, Brahlek e gli ex borsisti post-dottorato dell’ORNL Yun-Yi Pai e Michael Chilcote hanno collaborato con le misurazioni della resistenza elettrica.
“Siamo stati in grado di vedere come le diverse strutture elettroniche interagivano all’interfaccia e siamo stati in grado di controllare tali interazioni per garantire che esistano tutti gli ingredienti per la superconduttività topologica”, ha affermato Moore.
“Abbiamo scoperto che le proprietà topologiche desiderate esistono solo per specifici intervalli di drogaggio del selenio. Questa è stata una sorpresa cruciale per creare qubit”.
Nel frattempo, Hoyeon Jeon e An-Ping Li del Centro per le scienze dei materiali nanofase dell’ORNL hanno utilizzato la microscopia a effetto tunnel per caratterizzare il disordine nei materiali. Gli scienziati dello staff ORNL Hu Miao e Satoshi Okamoto hanno fornito una guida sperimentale e teorica durante lo studio.
Rimangono sfide cruciali. “Dobbiamo migliorare e comprendere meglio i materiali a livello atomico, il che è fondamentale per confermare e utilizzare le particelle di Majorana per le applicazioni”, ha affermato Moore. “Il prossimo passo sarà esplorare le possibili particelle di Majorana utilizzando uno strumento per microscopio a effetto tunnel a scansione a temperatura ultrabassa recentemente installato presso il CNMS”.
Ha aggiunto: “Il raggiungimento di un qubit basato sulle particelle di Majorana è uno degli obiettivi finali del Quantum Science Center. La particella di Majorana nei materiali è uno stato davvero esotico. Dimostrare che esiste richiederà sia la costruzione che il test di un dispositivo simile a un qubit. È un modo strano di pensarci, ma devi creare un qubit per dimostrare che è un qubit. Ora sappiamo come controllare i materiali al livello necessario per far sì che ciò accada”.
Il titolo del documento è “Superconduttività monostrato e struttura elettronica topologica accordabile al Fe(Te,Se)/Bi2Te3 Interfaccia.”
Il finanziamento del lavoro è arrivato dal DOE Office of Science – attraverso il QSC, un centro nazionale di ricerca sulla scienza dell’informazione quantistica del DOE e la divisione di scienze e ingegneria dei materiali – insieme alla National Science Foundation, all’Esercito Research Office e alla Gordon and Betty Moore Foundation. . La ricerca ha utilizzato risorse presso il CNMS, una struttura utente del DOE Office of Science presso l’ORNL.
L’UT-Battelle gestisce l’ORNL per l’Office of Science del DOE, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Office of Science sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni per favore visita Energy.gov/science.
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