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Uma nova maneira de combinar dois materiais com propriedades elétricas especiais – um supercondutor de monocamada e um isolante topológico – fornece a melhor plataforma até hoje para explorar uma forma incomum de supercondutividade chamada supercondutividade topológica. A combinação pode fornecer a base para computadores quânticos topológicos que são mais estáveis do que seus equivalentes tradicionais.
Os supercondutores – usados em ímãs poderosos, circuitos digitais e dispositivos de imagem – permitem que a corrente elétrica passe sem resistência, enquanto os isolantes topológicos são filmes finos de apenas alguns átomos de espessura que restringem o movimento dos elétrons para suas bordas, o que pode resultar em propriedades únicas. Uma equipe liderada por pesquisadores da Penn State descreve como eles combinaram os dois materiais em um artigo publicado em 27 de outubro na revista Materiais da Natureza.
“O futuro da computação quântica depende de um tipo de material que chamamos de supercondutor topológico, que pode ser formado pela combinação de um isolante topológico com um supercondutor, mas o processo real de combinar esses dois materiais é desafiador”, disse Cui-Zu Chang. , Henry W. Knerr Professor em início de carreira e Professor Associado de Física na Penn State e líder da equipe de pesquisa. “Neste estudo, usamos uma técnica chamada epitaxia de feixe molecular para sintetizar filmes isolantes topológicos e supercondutores e criar uma heteroestrutura bidimensional que é uma excelente plataforma para explorar o fenômeno da supercondutividade topológica”.
Em experimentos anteriores para combinar os dois materiais, a supercondutividade em filmes finos geralmente desaparece quando uma camada isolante topológica é cultivada no topo. Os físicos conseguiram adicionar um filme isolante topológico em um supercondutor tridimensional “em massa” e reter as propriedades de ambos os materiais. No entanto, aplicações para supercondutores topológicos, como chips com baixo consumo de energia dentro de computadores quânticos ou smartphones, precisariam ser bidimensionais.
Neste artigo, a equipe de pesquisa empilhou um filme isolante topológico feito de seleneto de bismuto (Bi2Se3) com diferentes espessuras em um filme supercondutor feito de disseleneto de nióbio monocamada (NbSe2), resultando em um produto final bidimensional. Ao sintetizar as heteroestruturas a temperaturas muito mais baixas, a equipe conseguiu reter as propriedades topológicas e supercondutoras.
“Em supercondutores, os elétrons formam ‘pares Cooper’ e podem fluir com resistência zero, mas um campo magnético forte pode quebrar esses pares”, disse Hemian Yi, pesquisador de pós-doutorado do Chang Research Group na Penn State e primeiro autor do artigo. . “O filme supercondutor de monocamada que usamos é conhecido por sua ‘supercondutividade do tipo Ising’, o que significa que os pares de Cooper são muito robustos contra os campos magnéticos no plano. Também esperamos que a fase supercondutora topológica formada em nossas heteroestruturas seja robusta nesse caminho.”
Ao ajustar sutilmente a espessura do isolante topológico, os pesquisadores descobriram que a heteroestrutura mudou da supercondutividade do tipo Ising – onde o spin do elétron é perpendicular ao filme – para outro tipo de supercondutividade chamado “supercondutividade do tipo Rashba” – onde o spin do elétron é paralelo ao filme. Esse fenômeno também é observado nos cálculos e simulações teóricas dos pesquisadores.
Essa heteroestrutura também pode ser uma boa plataforma para a exploração dos férmions de Majorana, uma partícula indescritível que seria um dos principais contribuintes para tornar um computador quântico topológico mais estável que seus antecessores.
“Esta é uma excelente plataforma para a exploração de supercondutores topológicos, e esperamos encontrar evidências de supercondutividade topológica em nosso trabalho contínuo”, disse Chang. “Uma vez que tenhamos evidências sólidas de supercondutividade topológica e demonstremos a física de Majorana, esse tipo de sistema poderá ser adaptado para computação quântica e outras aplicações”.
Além de Chang e Yi, a equipe de pesquisa da Penn State inclui Lun-Hui Hu, Yuanxi Wang, Run Xiao, Danielle Reifsnyder Hickey, Chengye Dong, Yi-Fan Zhao, Ling-Jie Zhou, Ruoxi Zhang, Antony Richardella, Nasim Alem , Joshua Robinson, Moses Chan, Nitin Samarth e Chao-Xing Liu. A equipe também inclui Jiaqi Cai e Xiaodong Xu, da Universidade de Washington.
Este trabalho foi apoiado principalmente pela Penn State MRSEC para Nanoscale Science e também parcialmente apoiado pela National Science Foundation, o Departamento de Energia, a Universidade do Norte do Texas e a Fundação Gordon e Betty Moore.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Estado de Penn. Original escrito por Gail McCormick. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.
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