Mesmo os supercomputadores mais rápidos enfrentam algumas tarefas complexas, como descobrir novos medicamentos ou quebrar criptografia avançada. Os computadores quânticos poderão um dia enfrentar estes desafios, mas dependem de materiais raros conhecidos como supercondutores topológicos, que são extremamente difíceis de fabricar e controlar.
Pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago (UChicago PME) e da Universidade de West Virginia demonstraram agora uma maneira prática de colocar esses materiais ao seu alcance. Ao ajustar ligeiramente uma fórmula química, eles foram capazes de alterar o número de elétrons interagindo dentro do material, levando a um estado supercondutor topológico.
A equipe se concentrou em filmes ultrafinos feitos de dois elementos, telúrio e selênio. Ao alterar cuidadosamente a proporção desses elementos, eles descobriram que poderiam empurrar o material de uma fase quântica para outra, incluindo a fase supercondutora topológica.
Seus resultados, publicados Comunicação da naturezaMostre quão fortemente os elétrons afetam uns aos outros alterando a proporção entre telúrio e selênio. Essas correlações eletrônicas atuam como um mecanismo de ajuste fino, permitindo aos cientistas projetar deliberadamente estados quânticos incomuns.
“Podemos ajustar o efeito desta correlação como um mostrador”, disse Haoran Lin, estudante de pós-graduação da UChicago PME e primeiro autor do novo trabalho. “Se a correlação for muito forte, os elétrons ficam presos no lugar. Se forem muito fracos, o material perde suas propriedades topológicas especiais. Mas no nível certo, você obtém um supercondutor topológico.”
“Isso abre uma nova direção para a pesquisa de materiais quânticos”, disse Xulong Yang, professor assistente de engenharia molecular e autor sênior do novo trabalho. “Criamos uma ferramenta poderosa para projetar os materiais que serão necessários para a próxima geração de computadores quânticos”.
Seleneto de telureto de ferro e efeitos quânticos concorrentes
O material no centro da pesquisa, o seleneto de telureto de ferro, foi descoberto há relativamente pouco tempo e é conhecido por combinar supercondutividade com comportamento topológico incomum.
“Este é um material único porque combina todos os elementos necessários esperados numa plataforma para supercondutividade topológica: a própria supercondutividade, forte acoplamento spin-órbita e correlação eletrónica pronunciada,” disse Subhashish Mondal, professor assistente de física na Universidade de West Virginia e autor do novo artigo. “Essa combinação o torna um sistema ideal para explorar como diferentes efeitos quânticos interagem e competem.”
Anteriormente, os cientistas criaram este material em forma cristalina e observaram estados quânticos interessantes. No entanto, os cristais a granel são difíceis de manipular e a sua composição química pode variar de região para região, dificultando a obtenção de resultados consistentes.
Filmes finos para dispositivos quânticos estáveis
Os supercondutores topológicos são particularmente atraentes para tecnologias quânticas porque seus estados topológicos são inerentemente estáveis e menos vulneráveis ao ruído que perturba a maioria dos sistemas quânticos.
Os filmes ultrafinos desenvolvidos pelo grupo de Young oferecem diversas vantagens sobre outros candidatos a supercondutores topológicos. Eles operam a 13 Kelvin, em comparação com cerca de 1 Kelvin para plataformas baseadas em alumínio. Essa temperatura operacional mais alta facilita o resfriamento usando sistemas padrão de hélio líquido. Além disso, os filmes finos proporcionam maior uniformidade e são mais compatíveis com as técnicas modernas de fabricação de dispositivos do que os cristais a granel.
“Se você está tentando usar este material para uma aplicação prática, você precisa ser capaz de cultivá-lo em uma película fina, em vez de tentar retirá-lo de uma rocha que pode não ter uma composição consistente”, explicou Lin.
Vários grupos de pesquisa já estão trabalhando com o grupo de Yang para padronizar esses filmes e construir protótipos de dispositivos quânticos. Ao mesmo tempo, os pesquisadores continuam investigando outras propriedades do seleneto de telureto de ferro de película fina para compreender melhor seu potencial para a computação quântica de próxima geração.
