Algunos inconvenientes pueden ser clave para el desarrollo de la electrónica cuántica. Según un equipo dirigido por investigadores de Penn State, eso no es malo cuando se trata del control preciso necesario para construir y operar dichos dispositivos con sensores y láseres avanzados. Los investigadores han desarrollado un interruptor para activar y desactivar la presencia de estados de torsión, que son vías de conducción eléctrica en los bordes de los materiales semiconductores. Al controlar la formación de estados de torsión, los investigadores pueden controlar el flujo de electrones en los sistemas cuánticos.
“Prevemos construir una red de interconexión cuántica que utilice estados retorcidos como columna vertebral”, dijo el líder del equipo Jun Zhu, profesor de física en Penn State. Zhu también está afiliado al Centro de Materiales en Capas Bidimensionales de Penn State. “Esta red puede usarse para transportar información cuántica en un chip a largas distancias, para lo cual un cable de cobre clásico no funcionaría porque tiene resistencia y, por lo tanto, no puede mantener la coherencia cuántica”.
Trabajo, publicado recientemente. cienciaEl electrón proporciona una base potencial para que los investigadores continúen investigando los estados de torsión y sus aplicaciones en dispositivos de óptica cuántica y computadoras cuánticas.
“Este interruptor funciona de manera diferente a un interruptor convencional, donde la corriente eléctrica se controla a través de una puerta, de manera similar a cómo fluye el tráfico a través de una plaza de peaje”, dijo Zhu. “Aquí estamos quitando y reconstruyendo la propia carretera”.
El estado de torsión existe en un dispositivo cuántico hecho de un material conocido como grafeno bicapa de Bernal. Apila dos capas atómicamente delgadas de carbono, de modo que los átomos de una capa están desalineados con los átomos de la otra capa. Esta disposición, junto con el uso de un campo eléctrico, produce propiedades electrónicas inusuales, incluido el efecto hall del valle cuántico.
Este efecto se refiere a la aparición de electrones en diferentes estados de “valle”, caracterizados en función de su energía en relación con su impulso, que también se mueven hacia adelante y hacia atrás en direcciones opuestas. Los estados de torsión son manifestaciones del efecto valle cuántico.
“Lo sorprendente de nuestros dispositivos es que podemos hacer que los electrones que se mueven en direcciones opuestas no choquen entre sí (lo que se denomina retrodispersión) aunque compartan el mismo camino”, dijo el primer autor Ke Huang, un estudiante de posgrado. Doctorado en física en Penn State bajo la tutoría de Zhu. “Esto corresponde a la observación de un valor de resistencia ‘cuantizado’, que es clave para la posible aplicación de estados de torsión como cables cuánticos para transmitir información cuántica”.
Aunque el laboratorio de Zhu ha publicado previamente estados de torsión, cuantificaron el efecto Hall del valle cuántico en el trabajo actual después de mejorar la limpieza electrónica del dispositivo, lo que significa que eliminaron fuentes que podrían permitir que los electrones que se mueven en direcciones opuestas colisionen. . Incorporan una pila limpia de grafito/nitruro de boro hexagonal como puerta global, o mecanismo que permite el flujo de electrones, hacia el dispositivo.
Tanto el grafito como el nitruro de boro hexagonal son compuestos comúnmente utilizados como lubricantes para pinturas, cosméticos y más. El grafito conduce bien la electricidad, mientras que el nitruro de boro hexagonal es un aislante. Los investigadores utilizaron esta combinación para atrapar electrones en estado retorcido y controlar su flujo.
“La inclusión de una pila de grafito/nitruro de boro hexagonal como puerta global es de vital importancia para eliminar la retrodispersión de electrones”, dijo Huang, señalando que el uso de este material fue un avance tecnológico clave en la investigación actual.
Los investigadores también descubrieron que la medición del estado de torsión se mantuvo incluso después de que la unidad científica de temperatura se elevara a decenas de Kelvin. Cero Kelvin corresponde a -460 grados Fahrenheit.
“Los efectos cuánticos son a menudo frágiles y sobreviven a temperaturas criogénicas de sólo unos pocos kelvin”, dijo Zhu. “Cuanto más altas sean las temperaturas a las que podamos hacer que esto funcione, más probabilidades habrá de que se utilice en aplicaciones”.
Los investigadores probaron experimentalmente el interruptor que desarrollaron y descubrieron que podía controlar el flujo de corriente de forma rápida y repetida. Se suma al arsenal de dispositivos de electrónica cuántica basados en estados retorcidos que ayudan a controlar y dirigir electrones (válvulas, guías de ondas, divisores de haz) desarrollados previamente por el laboratorio de Zhu.
“Hemos creado un sistema de autopista cuántica que puede transportar electrones sin colisiones, puede programarse directamente para el flujo de corriente y es potencialmente escalable, lo que sienta una base sólida para futuros estudios que exploren la ciencia fundamental y las posibilidades de aplicación de este sistema”, dijo Zhu. “Por supuesto, todavía nos queda un largo camino por recorrer para lograr un sistema de interconexión cuántica”.
Zhu señaló que el próximo objetivo de su laboratorio es demostrar cómo los electrones se comportan como ondas coherentes mientras viajan a lo largo de la carretera estatal retorcida.
Otros autores incluyen a Hailong Fu, ex becario postdoctoral y becario Eberly en física en Penn State y actual profesor asistente en la Universidad de Zhejiang en China; y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi, ambos del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.
Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., Departamento de Energía de EE. UU., Beca de Investigación Penn State Eberly, Nueva Iniciativa Kaufman de la Fundación Pittsburgh, Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia y Ministerio de Educación de Japón, Iniciativa de Investigación Internacional de Cultura de estreno mundial. , Deportes, Ciencia y Tecnología financiaron la investigación.