Cuando se combinan diferentes estados cuánticos, pueden surgir nuevos estados colectivos de la materia. En el ámbito cuántico, la combinación de elementos como los átomos con efectos cuánticos puede dar lugar a estados cuánticos macroscópicos de la materia, que contienen excitaciones cuánticas externas que no existen en otros lugares.
En una colaboración entre la Universidad Aalto y el Instituto de Física CAS, los investigadores crearon un material cuántico artificial a partir de titanio magnético sobre un sustrato de óxido de magnesio, átomo por átomo. Luego diseñaron cuidadosamente cómo interactúan los átomos dentro del material para dar lugar a un nuevo estado de materia cuántica. José Lado, profesor asistente de la Universidad Aalto, desarrolló el diseño teórico para diseñar el material con magnetismo cuántico topológico, y un equipo dirigido por Kai Yang, profesor asociado del Instituto de Física CAS, fabricó y midió el material artificial mediante manipulación atómica mediante escaneo. túneles de microcopia. .
Como resultado, los investigadores demostraron por primera vez un nuevo estado cuántico de la materia conocido como imán cuántico topológico de orden superior. Los imanes topológicos pueden representar una nueva forma de lograr una protección sustancial contra la decoherencia en la tecnología cuántica.
El estudio fue publicado hoy. Nanotecnología de la naturaleza
Más allá de ser interesante desde una perspectiva científica fundamental, la materia topológica cuántica de muchos cuerpos, como este nuevo imán cuántico, podría tener un impacto innovador en la futura tecnología cuántica.
«La creación de un imán cuántico topológico de muchos cuerpos permite explorar una nueva e interesante dirección en la física. Las excitaciones de los imanes cuánticos topológicos tienen propiedades muy diferentes a las de los imanes convencionales y nos permiten crear nuevos fenómenos físicos que están más allá de las capacidades de los materiales cuánticos actuales», afirma Lado.
Los imanes cuánticos son materiales que realizan la superposición cuántica de estados magnéticos, llevando los fenómenos cuánticos de la escala microscópica a la macroscópica. Estos materiales tienen excitaciones cuánticas extrínsecas (incluidas excitaciones fraccionarias en las que los electrones se comportan como si estuvieran divididos en muchas partes) que no existen en ningún lugar fuera del material.
Para manipular cómo se comportaban los átomos dentro del material cuántico ensamblado, los investigadores pincharon cada átomo individual con una pequeña aguja. Esta técnica permite la detección precisa de qubits a nivel atómico. La aguja, en realidad una punta metálica atómicamente afilada, servía para excitar el momento magnético local del átomo, lo que provocaba una excitación topológica con una coordinación mejorada.
«Las excitaciones cuánticas topológicas, como hemos descubierto con los imanes cuánticos topológicos que hemos creado ahora, pueden tener importantes propiedades protectoras contra la decoherencia. En última instancia, la protección que ofrece esta excitación externa podría ayudarnos a superar los desafíos más apremiantes de los qubits disponibles actualmente», afirma Lado.
En sus experimentos, los investigadores descubrieron que las excitaciones topológicas eran resistentes a las perturbaciones, una propiedad que también se predijo en el diseño teórico de Lado. Los resultados también mostraron que la coherencia cuántica de las excitaciones topológicas era mayor que la de sus componentes individuales originales. El hallazgo puede indicar a los investigadores una forma de convertir material cuántico artificial en un componente básico de información cuántica que sea inmune a la decoherencia.