Os cientistas caracterizaram como os estados eletra´nicos em um composto contendo ferro, telaºrio e selaªnio dependem das concentrações químicas locais. Eles descobriram que a supercondutividade (condução de eletricidade sem resistência), junto com correlações magnanãticas distintas, aparece quando a concentração local de ferro ésuficientemente baixa; um estado eletra´nico coexistente existindo apenas nasuperfÍcie (estado superficial topola³gico) surge quando a concentração de telaºrio ésuficientemente alta. Reportado na Nature Materials, suas descobertas apontam para a faixa de composição necessa¡ria para a supercondutividade topola³gica. A supercondutividade topola³gica pode permitir uma computação qua¢ntica mais robusta, que promete fornecer aumentos exponenciais no poder de processamento.

"A computação qua¢ntica ainda estãoem sua infa¢ncia e um dos principais desafios éreduzir a taxa de erro dos ca¡lculos", disse o primeiro autor Yangmu Li, um pa³s-doutorado no Grupo de Espalhamento de Naªutrons da Divisão de Fa­sica da Matanãria Condensada e Ciência dos Materiais (CMPMS) no Laborata³rio Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE). "Os erros surgem quando os qubits, ou bits de informação qua¢ntica, interagem com seu ambiente. No entanto, ao contra¡rio dos a­ons presos ou qubits de estado sãolido, como defeitos pontuais no diamante, os qubits supercondutores topola³gicos são intrinsecamente protegidos de parte do rua­do. Portanto, eles poderiam suportar computação menos sujeita a erros. A questãoanã: onde podemos encontrar a supercondutividade topola³gica?

Neste estudo, os cientistas estreitaram a busca em um composto conhecido por hospedar estados desuperfÍcie topola³gicos e parte da familia de supercondutores a  base de ferro. Neste composto, os estados topola³gicos e supercondutores não são distribua­dos uniformemente pelasuperfÍcie. Entender o que estãopor trás dessas variações nos estados eletra´nicos e como controla¡-los éa chave para habilitar aplicações prática s como a computação qua¢ntica protegida topologicamente.

Com base em pesquisas anteriores, a equipe sabia que modificar a quantidade de ferro poderia mudar o material de um estado supercondutor para um não supercondutor. Para este estudo, o fa­sico Gendu Gu, da Divisão CMPMS, cultivou dois tipos de cristais aºnicos grandes, um com um pouco mais de ferro em relação ao outro. A amostra com o maior teor de ferro não ésupercondutora; a outra amostra ésupercondutora.

Para entender se o arranjo de elanãtrons na maior parte do material variava entre as amostras supercondutoras e não supercondutoras, a equipe passou a usar o espalhamento de naªutrons com polarização de spin. A Spallation Neutron Source (SNS), localizada no Oak Ridge National Laboratory do DOE, éo lar de um instrumento aºnico para realizar essa técnica.

"O espalhamento de naªutrons pode nos dizer os momentos magnanãticos, ou spins, dos elanãtrons e a estrutura atômica de um material", explicou o autor correspondente, Igor Zaliznyak, fa­sico do Grupo de Dispersão de Naªutrons da Divisão CMPMS que liderou a equipe de Brookhaven que ajudou a projetar e instalar o instrumento com colaboradores em Oak Ridge. "Para isolar as propriedades magnanãticas dos elanãtrons, polarizamos os naªutrons usando um espelho que reflete apenas uma direção de rotação especa­fica."

Para sua surpresa, os cientistas observaram padraµes drasticamente diferentes de momentos magnanãticos de elanãtrons nas duas amostras. Portanto, a ligeira alteração na quantidade de ferro causou uma mudança no estado eletra´nico.

"Depois de ver essa mudança drama¡tica, conclua­mos que devera­amos olhar para a distribuição dos estados eletra´nicos em função da composição química local", disse Zaliznyak.

No Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) de Brookhaven, Li, com o apoio dos membros da equipe do CFN Fernando Camino e Gwen Wright, determinou a composição química em pedaço s menores representativos de ambos os tipos de amostra por meio de espectroscopia de raios-X de dispersão de energia. Nessa técnica, uma amostra ébombardeada com elanãtrons, e os raios X emitidos caractera­sticos de diferentes elementos são detectados. Eles também mediram a resistência elanãtrica local - que indica quanto coerentemente os elanãtrons podem transportar carga - com sondas elanãtricas em microescala. Para cada cristal, Li definiu uma pequena grade quadrada (100 por 100 ma­crons). No total, a equipe mapeou a composição local e resistência em mais de 2.000 locais diferentes.

"Por meio dos experimentos no CFN, caracterizamos a química e as propriedades gerais de condução dos elanãtrons", disse Zaliznyak. "Mas também precisamos caracterizar as propriedades eletra´nicas microsca³picas, ou como os elanãtrons se propagam no material, seja na massa ou nasuperfÍcie. A supercondutividade induzida na propagação de elanãtrons nasuperfÍcie pode hospedar objetos topola³gicos chamados modos de Majorana, que em teoria são um das melhores maneiras de realizar ca¡lculos qua¢nticos. Informações sobre propriedades eletra´nicas de massa e desuperfÍcie podem ser obtidas por meio de espectroscopia de fotoemissão. "

Para os experimentos de espectroscopia de fotoemissão , Zaliznyak e Li entraram em contato com Peter Johnson, lider do Grupo de Espectroscopia Eletra´nica da Divisão CMPMS, e Nader Zaki, um associado cienta­fico do grupo de Johnson. Ao medir a energia e o momento dos elanãtrons ejetados das amostras (usando a mesma grade espacial) em resposta a  luz, eles quantificaram a intensidade dos estados eletra´nicos que se propagam nasuperfÍcie, em massa, e formam o estado supercondutor. Eles ajustam quantitativamente os espectros de fotoemissão a um modelo que caracteriza as intensidades desses estados.

Em seguida, a equipe mapeou as forças do estado eletra´nico em função da composição local, essencialmente construindo um diagrama de fases .

"Este diagrama de fase inclui as transições de fase supercondutora e topola³gica e aponta para onde podera­amos encontrar uma composição química útil para materiais de computação qua¢ntica", disse Li. "Para certas composições, não existem estados eletra´nicos coerentes para desenvolver a supercondutividade topola³gica. Em estudos anteriores, as pessoas pensavam que a falha do instrumento ou o erro de medição eram o motivo de não estarem vendo as caracteri­sticas da supercondutividade topola³gica. Aqui mostramos que isso se deve aos pra³prios estados eletra´nicos. "

“Quando o material estãopra³ximo da transição entre o estado topola³gico e não-topola³gico, vocêpode esperar flutuações”, acrescentou Zaliznyak. "Para que a topologia surja, os estados eletra´nicos precisam ser bem desenvolvidos e coerentes. Então, do ponto de vista tecnola³gico, precisamos sintetizar materiais fora da linha de transição."

Em seguida, os cientistas ira£o expandir o diagrama de fase para explorar a faixa composicional na direção topola³gica, focando em amostras com menos selaªnio e mais telaºrio. Eles também estãoconsiderando a aplicação de espalhamento de naªutrons para entender uma lacuna de energia inesperada (uma faixa de energia onde não são permitidos elanãtrons) abrindo no estado desuperfÍcie topola³gica do mesmo composto. O grupo de Johnson descobriu recentemente esta lacuna e formulou a hipa³tese de que era causada pelo magnetismo desuperfÍcie.