Los físicos han creado un nuevo material ultrafino de dos capas con propiedades cuánticas que normalmente requieren compuestos de tierras raras.
En un artículo publicado en la revista Nature, los científicos explican que este material, que es relativamente fácil de hacer y no no contiene metales de tierras raras, podría proporcionar una nueva plataforma para computación cuántica . También podría ayudar a avanzar en la investigación de la superconductividad no convencional y la criticidad cuántica.
En detalle, los investigadores demostraron que a partir de materiales aparentemente comunes, puede aparecer un estado cuántico de la materia radicalmente nuevo.
El descubrimiento surgió de sus esfuerzos por crear un líquido de espín cuántico que pudieran usar para investigar fenómenos cuánticos emergentes, como la teoría de calibre. Esto implica la fabricación de una sola capa de disulfuro de tantalio atómicamente delgado , pero el proceso también crea islas que constan de dos capas.
Cuando el equipo con sede en la Universidad Aalto de Finlandia examinó estas islas, descubrió que las interacciones entre las dos capas inducían un fenómeno conocido como efecto Kondo, que conducía a un estado de materia macroscópicamente enredado que producía un pesado-sistema fermion.
El efecto Kondo es una interacción entre las impurezas magnéticas y los electrones que hace que la resistencia eléctrica de un material cambie con la temperatura. Esto da como resultado que los electrones se comporten como si tuvieran más masa, lo que hace que estos compuestos se denominen materiales de fermiones pesados. Este fenómeno es un sello distintivo de los materiales que contienen 41586 elementos de tierras raras .
Los materiales de fermiones pesados son importantes en varios dominios de la física de vanguardia, incluida la investigación de materiales cuánticos.
«El estudio de materiales cuánticos complejos se ve obstaculizado por las propiedades de los compuestos naturales», dijo Peter Liljeroth, coautor del estudio, en un comunicado de prensa. “Nuestro objetivo es producir materiales de diseño artificial que puedan ajustarse y controlarse fácilmente de forma externa para ampliar la gama de fenómenos exóticos que se pueden realizar en el laboratorio”.
Como ejemplo, Liljeroth mencionó que los materiales pesados de fermiones podrían actuar como superconductores topológicos, lo que podría ser útil para construir qubits que sean más resistentes al ruido y la perturbación del entorno, reduciendo las tasas de error en las computadoras cuánticas.
«Crear esto en la vida real se beneficiaría enormemente de tener un sistema de material de fermiones pesados que se pueda incorporar fácilmente a los dispositivos eléctricos y ajustarse externamente», dijo Viliam Vaňo, estudiante de doctorado en el grupo de Liljeroth y autor principal del artículo.
Vaňo explicó que aunque ambas capas del nuevo material son de sulfuro de tantalio, existen diferencias sutiles pero importantes en sus propiedades. Una capa se comporta como un metal, conduciendo electrones, mientras que la otra capa tiene un cambio estructural que hace que los electrones se localicen en una red regular. La combinación de los dos da como resultado la aparición de una física de fermiones pesados, que ninguna capa exhibe por sí sola.
Este nuevo material de fermiones pesados también ofrece una poderosa herramienta para probar la criticidad cuántica.
“El material puede alcanzar un punto crítico cuántico cuando comienza a moverse de un estado cuántico colectivo a otro, por ejemplo, de un imán normal a un material de fermiones pesados enredados”, dijo José Lado, coautor del estudio. . “Entre estos estados, todo el sistema es crítico, reacciona con fuerza al más mínimo cambio y proporciona una plataforma ideal para diseñar materia cuántica aún más exótica”.
En opinión de Liljeroth, estos hallazgos permiten explorar en el futuro cómo reacciona el sistema a la rotación de cada hoja con respecto a la otra e intentar modificar el acoplamiento entre las capas para ajustar el material hacia un comportamiento crítico cuántico.
