Pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular (PME) da Universidade de Chicago descobriram um novo material, MnBi 6 Te 10 , que pode ser usado para criar estradas quânticas ao longo das quais os elétrons podem se mover. Essas vias de elétrons são potencialmente úteis para conectar os componentes internos de computadores quânticos poderosos e energeticamente eficientes.

Quando os elétrons se movem através de fios metálicos tradicionais, eles perdem uma pequena quantidade de energia – na forma de calor – e algumas de suas propriedades intrínsecas mudam. Portanto, esses fios não podem ser usados ??para conectar partes de computadores quânticos que codificam dados nas propriedades quânticas dos elétrons.

No novo trabalho, publicado na revista Nano Letters , os pesquisadores detalharam como o MnBi 6 Te 10 atua como um “isolante topológico magnético”, transportando elétrons ao redor de seu perímetro, mantendo a energia e as propriedades quânticas dos elétrons.

"Descobrimos um material que tem o potencial de abrir a estrada quântica para que os elétrons fluam sem dissipação", disse Asst. Prof. Shuolong Yang, que liderou a pesquisa. "Este é um marco importante para a engenharia de computadores quânticos topológicos."

Os computadores quânticos armazenam dados em qubits, uma unidade básica de informação que exibe propriedades quânticas, incluindo superposição. Ao mesmo tempo em que os pesquisadores trabalham para desenvolver dispositivos que conectem esses qubits – às vezes na forma de elétrons únicos – eles também precisam de novos materiais que possam transmitir as informações armazenadas nesses qubits.

Físicos teóricos propuseram que os elétrons poderiam ser transmitidos entre qubits topológicos forçando os elétrons a fluir em um canal de condução unidimensional na borda de um material. Tentativas anteriores de fazer isso exigiam temperaturas extremamente baixas, inviáveis ??para a maioria das aplicações.

"A razão pela qual decidimos analisar esse material em particular é que pensamos que funcionaria em uma temperatura muito mais realista", disse Yang.

O grupo de Yang começou a estudar o MnBi 6 Te 10 , usando manganês para introduzir magnetização no semicondutor formado por bismuto e telúrio. Enquanto os elétrons fluem aleatoriamente pelo interior da maioria dos semicondutores, o campo magnético em MnBi 6 Te 10 força todos os elétrons em uma linha de arquivo único na parte externa do material.

Os pesquisadores da PME obtiveram MnBi 6 Te 10 que havia sido fabricado por colaboradores do 2D Crystal Consortium na Pennsylvania State University, liderado por Zhiqiang Mao. Em seguida, a equipe usou uma combinação de duas abordagens – espectroscopia de fotoemissão de resolução angular e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) – para estudar exatamente como os elétrons dentro do MnBi 6 Te 10 se comportavam e como o movimento dos elétrons variava com os estados magnéticos. Os experimentos TEM foram realizados em colaboração com o laboratório de Nasim Alem da Universidade Estadual da Pensilvânia.

Quando eles estavam sondando as propriedades do MnBi 6 Te 10 , uma coisa surpreendeu a equipe de pesquisa no início: algumas peças do material pareciam funcionar bem como isolantes topológicos magnéticos, enquanto outras peças não.

"Alguns deles tinham as propriedades eletrônicas desejadas e outros não, e o interessante é que era muito difícil dizer a diferença em suas estruturas", disse Yang. "Vimos a mesma coisa quando fizemos medições estruturais, como difração de raios-X, então foi um pouco misterioso."

Por meio de seus experimentos TEM, no entanto, eles revelaram que todas as peças de MnBi 6 Te 10 que funcionaram tinham algo em comum: defeitos na forma de manganês ausente espalhados por todo o material. Outros experimentos mostraram que, de fato, esses defeitos eram necessários para conduzir o estado magnético e permitir que os elétrons fluíssem.

"Um valor muito alto deste trabalho é que, pela primeira vez, descobrimos como ajustar esses defeitos para permitir propriedades quânticas", disse Yang.

Os pesquisadores agora estão buscando novos métodos de cultivo de cristais de MnBi 6 Te 10 em laboratório, além de investigar o que acontece com versões bidimensionais ultrafinas do material.