Los físicos de la Universidad de California, Irvine y otros lugares han fabricado nuevos materiales cuánticos bidimensionales con atributos eléctricos y magnéticos que podrían convertirlos en bloques de construcción de futuras computadoras cuánticas y otros productos electrónicos avanzados.
El físico de UCI Jing Xia (a la derecha, con el estudiante de posgrado Alex Stern) llama al interferómetro Sagnac de fibra óptica que construyó el microscopio magnético más sensible del mundo. Lo compara con un telescopio que un ornitólogo de Irvine podría usar para inspeccionar el ojo de un pájaro en Nueva York. Crédito: Steve Zylius / UCI
En tres estudios separados que aparecen este mes en Nature, Science Advances andNature Materials, investigadores de UCI y colegas del laboratorio nacional Lawrence Berkeley, UC Berkeley, la Universidad de Princeton, la Universidad Fudan y la Universidad de Maryland exploraron la física detrás de los Estados 2-D de nuevos materiales y determinaron que podrían empujar a los equipos a nuevos niveles de velocidad y potencia.
Los hilos comunes que corren a través de los documentos son que la investigación se lleva a cabo en temperaturas extremadamente frías y que los portadores de la señal en los tres estudios no son electrones - como con las tecnologías tradicionales basadas en silicio - sinó fermiones de Dirac o Majorana, partículas sin masa que se mueven a casi la velocidad de la luz.
"Por último, podemos tomar teorías exóticas y de gama alta en la física y hacer algo útil," dijo el profesor asociado de UCI de física y astronomía Jing Xia, un autor en dos de los estudios. "Nosotros estamos explorando la posibilidad de hacer computadoras cuánticas topológicas [actualmente teóricas] para los próximos 100 años".
Uno de los principales retos de este tipo de investigación es el manejo y análisis de muestras de material minúsculas, sólo dos átomos de grosor, varios micrones de largo y unos pocos micrones de diámetro. El laboratorio de Xia en UCI está equipado con un microscopio de interferómetro de Sagnac de fibra óptica que él construyó. (El otro en existencia está en la Universidad de Stanford, ensamblado por Xia cuando era estudiante de postgrado allí.) Llamándolo el microscopio magnético más sensible en el mundo, Xia lo compara a un telescopio que un ornitólogo en Irvine podría utilizar para examinar el ojo de un pájaro en Nueva York.
"Esta máquina es la herramienta de medición ideal para estos descubrimientos," dijo el estudiante graduado de UCI Alex Stern, principal autor en dos de los papeles. "Es la forma más precisa para medir el magnetismo de un material ópticamente".
En un estudio que fue publicado el 24 de abril en Nature, los investigadores detallan su observación - a través del interferómetro de Sagnac - del magnetismo en una escama microscópica de telururo de germanio de cromo. El compuesto, que creó, fue visto a menos 387 grados Fahrenheit. CGT es un primo del grafeno, una película de carbono atómico super fina. Desde su descubrimiento, el grafeno ha sido considerado un reemplazo potencial para el silicio en la próxima generación de computadoras y otros dispositivos debido a la velocidad en que las señales electrónicas se deslizan en toda su superficie casi perfectamente plana.
Pero hay un retén: ciertos componentes de la computadora, como memoria y sistemas de almacenamiento, deben hacerse de materiales que tienen propiedades electrónicas y magnéticas. El grafeno tiene el primero pero no el último. CGT tiene ambos.
Su laboratorio también utilizó el interferómetro de Sagnac para un estudio publicado en Science Advances examinando lo que sucede en el momento preciso en que el bismuto y el níquel se ponen en contacto uno con el otro - otra vez a muy baja temperatura (en este caso, -452 grados Fahrenheit). Xia dijo que su equipo encontró en la interfaz entre los dos metales "un superconductor exótico que rompe la simetría de la revocación del tiempo".
"Imagina hacer retroceder el reloj y una taza de té rojo se pone verde. ¿No haría que este té fuera muy exótico? "Esto es de hecho exótico para los superconductores, dijo. "Y es la primera vez que se observa en materiales 2-D".
Los portadores de la señal en este superconductor 2-D son fermiones de Majorana, que podrían ser utilizados para una operación de trenzado que los teóricos creen que es vital para la computación cuántica.
"La cuestión ahora es tratar de lograrlo a temperaturas normales",dijo Xia. El tercer estudio muestra promesa para superar ese obstáculo.
En el 2012, el laboratorio de Xia entregó a la Defense Advanced Research Projects Agency un oscilador de radiofrecuencia en torno al hexaboruro de samario. La sustancia es un aislante en el interior, pero permite que la corriente de transmisión de señal de los fermiones Dirac fluya libremente en su superficie 2-D.
Utilizando un aparato especial construido en el laboratorio Xia - también uno de los dos únicos en el mundo - investigadores de UCI aplican tensión extensible a la muestra de hexaboruro de samario y demostraron en el estudio Nature Materials que puede estabilizar el estado superficial de 2-D a menos 27 grados Fahrenheit.
"Lo creas o no, es más caliente que algunas partes de Canadá," bromeó Xia. "Esta obra es un gran paso hacia el desarrollo de futuros computadores cuánticos a casi temperatura ambiente."