Desde o recebimento de uma doação de US$ 25 milhões em 2019 para se tornar a primeira fundição quântica da National Science Foundation (NSF), os pesquisadores da UC Santa Bárbara afiliados à fundição têm trabalhado para desenvolver materiais que podem permitir tecnologias baseadas em informações quânticas para aplicações como computação quântica, comunicações, sensoriamento e simulação.
Eles podem ter feito isso.
Em um novo artigo, publicado na revista Nature Materials, o codiretor de fundição e professor de materiais da UCSB Stephen Wilson e vários coautores, incluindo colaboradores importantes da Universidade de Princeton, estudam um novo material desenvolvido na Quantum Foundry como candidato a supercondutor – um material no qual a resistência elétrica desaparece e os campos magnéticos são expelidos – o que poderia ser útil na computação quântica futura.
Um artigo anterior publicado pelo grupo de Wilson na revista Physical Review Letters e apresentado na revista Physics descreveu um novo material, antimoneto de césio vanádio (CsV3Sb5), que exibe uma mistura surpreendente de características envolvendo uma padronização auto-organizada de carga entrelaçada com um estado supercondutor. A descoberta foi feita por Elings Postdoctoral Fellow Brenden R. Ortiz. Acontece que, Wilson disse, essas características são compartilhadas por uma série de materiais relacionados, incluindo RbV3Sb5 e KV3Sb5, o último (uma mistura de potássio, vanádio e antimônio) sendo o assunto deste artigo mais recente, intitulado “Descoberta de não convencionais ordem de carga quiral no supercondutor kagome KV3Sb5.”
Materiais neste grupo de compostos, Wilson observou, “são previstos para hospedar uma física de onda de densidade de carga interessante [isto é, seus elétrons se auto-organizam em um padrão não uniforme através dos sítios de metal no composto]. A natureza peculiar desta padronização organizada de elétrons é o foco do trabalho atual.”
Este estado de onda de densidade de carga prevista e outras físicas exóticas derivam da rede de íons vanádio (V) dentro desses materiais, que formam uma rede de triângulos de compartilhamento de cantos conhecida como rede kagome. Descobriu-se que o KV3Sb5 é um metal raro construído a partir de planos de rede kagome, que também superconduta. Algumas das outras características do material levaram os pesquisadores a especular que as cargas nele podem formar pequenos loops de corrente que criam campos magnéticos locais.
Cientistas e físicos de materiais há muito previram que poderia ser feito um material que exibisse um tipo de ordem de onda de densidade de carga que quebra o que é chamado de simetria de reversão do tempo. “Isso significa que há um momento magnético, ou um campo, associado a ele”, disse Wilson. “Você pode imaginar que existem certos padrões na rede kagome em que a carga está se movendo em um pequeno loop. Esse loop é como um loop de corrente e vai lhe dar um campo magnético. Tal estado seria um novo estado eletrônico da matéria e teria consequências importantes para a supercondutividade não convencional subjacente.”
O papel do grupo de Wilson era fazer o material e caracterizar suas propriedades em massa. A equipe de Princeton então usou microscopia de tunelamento de varredura de alta resolução (STM) para identificar o que eles acreditam ser as assinaturas de tal estado, que, disse Wilson, “também são hipotetizados para existir em outros supercondutores anômalos, como aqueles que superconduzem em alta temperatura, embora não tenha sido definitivamente mostrada.”
O STM funciona escaneando uma ponta de fio de metal muito afiada sobre uma superfície. Ao trazer a ponta extremamente perto da superfície e aplicar uma voltagem elétrica à ponta ou à amostra, a superfície pode ser visualizada na escala de resolução de átomos individuais e onde os elétrons se agrupam. No artigo, os pesquisadores descrevem ver e analisar um padrão de ordem na carga eletrônica, que muda conforme um campo magnético é aplicado. Este acoplamento a um campo magnético externo sugere um estado de onda de densidade de carga que cria seu próprio campo magnético.
Este é exatamente o tipo de trabalho para o qual a Quantum Foundry foi estabelecida. “A contribuição da fundição é importante”, disse Wilson. “Ele desempenhou um papel importante no desenvolvimento desses materiais, e pesquisadores de fundição descobriram supercondutividade neles e, em seguida, encontraram assinaturas indicando que eles podem possuir uma onda de densidade de carga. Agora, os materiais estão sendo estudados em todo o mundo, porque têm vários aspectos que são de interesse para muitas comunidades diferentes.
“Eles são de interesse, por exemplo, para pessoas em informações quânticas como supercondutores topológicos em potencial”, continuou ele. “Eles são de interesse para quem estuda nova física em metais topológicos, porque eles potencialmente hospedam efeitos de correlação interessantes, definidos como os elétrons interagindo uns com os outros, e isso é potencialmente o que fornece a gênese desse estado de onda de densidade de carga. E eles são do interesse das pessoas que buscam supercondutividade de alta temperatura, porque eles têm elementos que parecem ligá-los a algumas das características vistas nesses materiais, embora KV3Sb5 superconduta em uma temperatura bastante baixa.”
Se KV3Sb5 for o que se suspeita ser, pode ser usado para fazer um qubit topológico útil em aplicações de informação quântica. Por exemplo, Wilson disse: “Ao fazer um computador topológico, deseja-se fazer qubits cujo desempenho é aprimorado pelas simetrias do material, o que significa que eles não tendem a descoerir [a decoerência de estados quânticos emaranhados fugazes sendo um grande obstáculo em computação quântica] e, portanto, têm uma necessidade reduzida de correção de erros convencional.”
“Existem apenas certos tipos de estados que você pode encontrar que podem servir como um qubit topológico, e espera-se que um supercondutor topológico hospede um”, acrescentou. “Esses materiais são raros. Este sistema pode ser interessante para isso, mas está longe de ser confirmado e é difícil confirmar se é ou não. Ainda há muito a ser feito para entender esta nova classe de supercondutores.”
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