Físicos de la University of Tennessee (UT) ubicada en Knoxville, Estados Unidos, lideraron un equipo científico que descubrió que el silicio -un pilar de la gigamillonaria industria electrónica- podría acercar las tecnologías cuánticas, que se están convirtiendo rápidamente en  emergentes, a una producción a escala industrial.

Los hallazgos se informan en Nature Physics e involucran robo de electrones, inversión del tiempo y un poco de electrónica ambidiestra.

Un estimado colega nos comparte el presente artículo publicado por la University of Tennessee (UT), reproducido por PHYS.ORG el 9 de febrero de 2023 y traducido por nosotros para este espacio. Veamos de qué se trata…

Parejas en la pista de baile superconductora

Los superconductores conducen la corriente eléctrica sin resistencia ni disipación de energía. Sus usos van desde potentes electroimanes para aceleradores de partículas y dispositivos médicos de resonancia magnética hasta sensores magnéticos ultrasensibles y computadoras cuánticas. La superconductividad es una exhibición espectacular de la mecánica cuántica en acción a escala macroscópica. Todo se reduce a los electrones.

Los electrones tienen carga negativa y se repelen entre sí en el vacío. Sin embargo, en un medio de estado sólido, el reino de los metales y los semiconductores, hay aproximadamente otros 1023 electrones y iones positivos que complican enormemente la imagen. En un superconductor, los electrones de conducción superan su repulsión mutua y se atraen entre sí a través de interacciones con otras partículas.

Esta interacción hace que se emparejen como bailarines en un baile, formando partículas compuestas o "pares de Cooper" (llamado así por el premio Nobel Leon Cooper).

Por lo general, el "pegamento" que causa este emparejamiento proviene de las vibraciones del átomo en un metal, pero solo si los electrones no se repelen entre sí con demasiada fuerza. El proceso es algo así como dos personas (los electrones) sobre un colchón blando (el medio) que ruedan uno hacia el otro cuando el colchón se comprime en el centro. Las leyes de la mecánica cuántica dictan que los pares de Cooper (a diferencia de los electrones individuales) pueden condensarse en un solo estado cuántico coherente, donde se mueven al unísono. Como resultado el condensado exhibe una rigidez suficiente que permite que la corriente fluya sin interrupción o disipación; en otras palabras: el superconductor. Este mecanismo nos da como resultado superconductores convencionales (onda s) como el aluminio, el estaño o el plomo.

Sin embargo, cuando la repulsión entre los electrones es fuerte, se emparejan en estados de mayor momento angular para que no puedan acercarse demasiado, lo que da como resultado, por ejemplo, un superconductor de onda d. Este es el caso de los materiales a base de cobre y oxígeno (cupratos) y juega un papel protagonista en la investigación publicada en Nature Physics donde se menciona su potencial futuro.

Robando electrones

En este trabajo, el profesor Hanno Weitering y el profesor asociado Steve Johnston así como sus colegas en EE. UU., España y China replicaron la física similar al cuprato al hacer crecer un tercio de una monocapa de átomos de estaño sobre un sustrato (capa base) de silicio. Piense en ello como nueve átomos de silicio en una sola capa, con tres átomos de estaño, colocados más separados, apilados en otra capa en la parte superior. El sistema está diseñado de tal manera que la repulsión entre los electrones de estaño es tan fuerte que no pueden moverse y no se superconducen.

Weitering, Johnston y sus colegas encontraron una solución inteligente mediante la implantación de átomos de boro en la estructura cristalina (similar a un diamante) de la capa de silicio. Los átomos de boro procedieron a robar electrones de la capa de estaño (típicamente alrededor del 10 por ciento) en un proceso similar a las técnicas perfeccionadas por la industria de los semiconductores. Esto le dio a los electrones de estaño restantes la libertad de moverse. La capa de estaño se volvió así metálica e incluso superconductora a una temperatura crítica superior a la de casi todos los superconductores elementales. Es importante destacar que el fenómeno también escaló con la cantidad de átomos de boro o electrones robados, un comportamiento que recuerda a los superconductores de cuprato.

Aplicaciones de computación cuántica e inversión del tiempo

Si bien la superconductividad basada en el robo de electrones es interesante por derecho propio, el equipo de investigación encontró una física aún más intrigante que sugiere que este material de estaño y silicio alberga superconductividad quiral. Este estado altamente exótico de la materia es muy buscado, en parte debido a su potencial para la computación cuántica.

En los sistemas quirales, las rotaciones en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj son iguales y, sin embargo, diferentes, como que las manos izquierda y derecha son imágenes especulares entre sí que no se pueden superponer. En la mecánica cuántica, las propiedades de electrones individuales o pares están codificadas en una función de onda matemática que puede ser levógira, levógira o "topológicamente trivial".

La función de onda superconductora en la capa de estaño resulta ser en el sentido de las agujas del reloj en partes de la muestra y en el sentido contrario a las agujas del reloj en otras partes. Si uno tuviera que retroceder el reloj, la función de onda en el sentido de las agujas del reloj se volvería en el sentido contrario a las agujas del reloj y viceversa, pero estas dos funciones de onda siguen siendo diferentes, al igual que la mano izquierda y la mano derecha son diferentes; como diría un físico, la simetría de inversión temporal está rota.

La ruptura de la simetría de inversión temporal es un sello distintivo de la superconductividad quiral. Otra es que el sistema tiene dos canales de conducción unidimensionales que corren como vías de tren a lo largo del perímetro del material de muestra. Estos canales albergan entidades similares a partículas exóticas donde, bajo ciertas condiciones, la partícula y su antipartícula se vuelven indistinguibles. Las partículas de Majorana (un fermión que es su propia antipartícula) están protegidas topológicamente, son impermeables a lo que sucede en el entorno que las rodea. Han sido concebidas como bloques de construcción de futuras computadoras cuánticas, una tecnología que emerge rápidamente y que podría ayudar a resolver problemas demasiado complejos para las computadoras clásicas. El uso de partículas de Majorana implica una protección contra la decoherencia, un requisito fundamental para que la computación cuántica tenga éxito.

En conjunto, los resultados de Nature Physics sugieren la posibilidad de integrar propiedades exóticas con una plataforma de materiales basada en silicio fácilmente escalable. Como tal, esto acercaría las tecnologías cuánticas futuristas a la producción a escala industrial.

Fuente: https://phys.org/news/2023-02-evidence-chiral-superconductor-quantum-closer.html