En algunos materiales, los estados topológicos inmutables pueden estar entrelazados con otros estados cuánticos manipulables.

2 de agosto de 2023

Este artículo ha sido revisado de acuerdo con el proceso editorial y las políticas de Science X. Los editores han resaltado las siguientes atributos mientras garantizan la credibilidad del contenido:

• verificación de hechos
• publicación revisada por pares
• fuente confiable
• corrección de pruebas

por Jade Boyd, Rice University

Físicos de la Universidad Rice han demostrado que los estados topológicos inmutables, que son altamente buscados en la computación cuántica, pueden ser entrelazados con otros estados cuánticos manipulables en algunos materiales.

'Lo sorprendente que encontramos es que, en un tipo particular de red cristalina, donde los electrones quedan atrapados, el comportamiento fuertemente acoplado de los electrones en orbitales atómicos d actúan realmente como los sistemas de orbitales f de algunos fermiones pesados', dijo Qimiao Si, coautor de un estudio sobre la investigación en Science Advances.

Este hallazgo inesperado proporciona un puente entre subcampos de la física de la materia condensada que se han enfocado en propiedades emergentes disímiles de los materiales cuánticos. En los materiales topológicos, por ejemplo, los patrones de entrelazamiento cuántico producen estados 'protegidos' e inmutables que podrían ser utilizados para la computación cuántica y la espintrónica. En los materiales fuertemente correlacionados, el entrelazamiento de miles de millones de electrones da lugar a comportamientos como la superconductividad no convencional y las continuas fluctuaciones magnéticas en los líquidos de espín cuánticos.

En el estudio, Si y el coautor Haoyu Hu, un exestudiante graduado de su grupo de investigación, construyeron y probaron un modelo cuántico para explorar el acoplamiento de electrones en una disposición de red 'frustrada' similar a las que se encuentran en metales y semimetales que presentan 'bandas planas', estados donde los electrones quedan atrapados y los efectos fuertemente correlacionados se amplifican.

La investigación es parte de un esfuerzo continuo por parte de Si, quien planea perseguir la validación de un marco teórico para controlar los estados topológicos de la materia.

En el estudio, Si y Hu demostraron que los electrones provenientes de orbitales atómicos d podrían formar parte de orbitales moleculares más grandes que son compartidos por varios átomos en la red. La investigación también mostró que los electrones en los orbitales moleculares podrían entrelazarse con otros electrones frustrados, produciendo efectos fuertemente correlacionados que eran muy familiares para Si, quien ha pasado años estudiando materiales de fermiones pesados.

'Estos son sistemas completamente de electrones d', dijo Si. 'En el mundo de los electrones d, es como si tuvieras una autopista con múltiples carriles. En el mundo de los electrones f, puedes pensar en electrones moviéndose en dos niveles. Uno es como la autopista de electrones d, y el otro es como un camino de tierra, donde el movimiento es muy lento'.

Si dijo que los sistemas de electrones f albergan ejemplos muy claros de física fuertemente correlacionada, pero no son prácticos para el uso diario.

'Este camino de tierra está tan lejos de la autopista', dijo. 'La influencia de la autopista es muy pequeña, lo que se traduce en una escala de energía minúscula y una física a muy baja temperatura. Es decir, necesitas llegar a temperaturas alrededor de 10 Kelvin o algo así para incluso ver los efectos del acoplamiento.

'Eso no es así en el mundo de los electrones d. Las cosas se acoplan entre sí de manera bastante eficiente en esa autopista de varios carriles'.

Y esa eficiencia de acoplamiento persiste incluso cuando hay una banda plana. Si lo comparó con uno de los carriles de la autopista volviéndose tan ineficiente y lento como el camino de tierra de los electrones f.

'Incluso cuando se ha desvanecido en un camino de tierra, aún comparte estatus con los otros carriles, porque todos provienen del orbital d', dijo Si. 'Es efectivamente un camino de tierra, pero está mucho más fuertemente acoplado, y eso se traduce en física a temperaturas mucho más altas.

'Eso significa que puedo tener toda la física exquisita basada en electrones f, para la cual tengo modelos bien definidos y mucha intuición de años de estudio, pero en lugar de tener que ir a 10 Kelvin, potencialmente puedo trabajar a, digamos, 200 Kelvin, o posiblemente incluso 300 Kelvin, o temperatura ambiente. Entonces, desde una perspectiva de funcionalidad, es extremadamente prometedor'.

Si es el profesor Harry C. y Olga K. Wiess de Física y Astronomía en Rice, miembro de la Iniciativa Cuántica de Rice y director del Centro de Materiales Cuánticos de Rice (RCQM).

Información del diario: Science Advances

Suministrado por Rice University