Gli elettroni che scorrono come liquidi aprono la strada a robusti computer quantistici

Gli elettroni che scorrono come liquidi aprono la strada a robusti computer quantistici

Una vista ravvicinata della punta di un microscopio a tunneling a scansione presso la NTU Singapore e un campione di prova all’interno della camera a vuoto ultra alto del microscopio. La camera è necessaria per raggiungere le temperature ultra-basse per gli esperimenti e per proteggere gli isolatori di Hall di spin quantico testati. Credito: SPMS/NTU Singapore

I computer quantistici, che possono eseguire calcoli molto più velocemente dei computer tradizionali, hanno un grosso problema: sono soggetti a errori di memorizzazione ed elaborazione dei dati causati da disturbi ambientali come vibrazioni e radiazioni di oggetti caldi.

Ma una scoperta di scienziati guidati dalla Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), su come gli elettroni possono essere controllati a temperature molto basse, suggerisce un modo per affrontare questo problema e sviluppare computer quantistici più robusti e accurati.

I risultati del team, che sono stati pubblicati online nel Comunicazioni sulla natura rivista nell’ottobre 2022, ha mostrato, per la prima volta, che gli elettroni possono avere forti interazioni tra di loro in determinate condizioni.

Queste interazioni, precedentemente previste solo in modelli teorici, sono state osservate sui bordi di un tipo di materiale atomicamente sottile ed elettricamente isolante a temperature ultra basse vicine al freddo dello spazio esterno.

Diretto dal professore assistente Bent Weber della School of Physical and Mathematical Sciences (SPMS) della NTU Singapore, il team di ricerca ha confermato che le interazioni a queste basse temperature fanno sì che gli elettroni fluiscano come un liquido. Ciò significa che gli elettroni tendono a muoversi collettivamente lungo una linea invece di muoversi individualmente o a caso in direzioni diverse.

Gli elettroni che scorrono come liquidi aprono la strada a robusti computer quantistici

Increspature in un “liquido elettronico” che sono state rilevate dalla punta atomicamente affilata di un microscopio a scansione a effetto tunnel negli esperimenti dei ricercatori. Credito: SPMS/NTU Singapore

Mettere gli elettroni “in linea” per questo stato speciale della materia, soprannominato “liquido Tomonaga-Luttinger elicoidale”, è uno dei fattori chiave che i fisici ritengono fondamentale per consentire agli elettroni di raggrupparsi per formare una particella chiamata parafermione. Oltre a questo stato speciale della materia, è necessario un altro fattore chiave per la formazione dei parafermioni, che entra in gioco a temperature ancora più basse: la superconduttività. Questa proprietà, che si riferisce alla capacità di condurre l’elettricità senza perdere energia, è riscontrabile in alcuni materiali.

La creazione di parafermioni è un obiettivo molto ricercato dagli scienziati poiché si prevede che queste particelle aiutino i computer quantistici a memorizzare le informazioni in un modo più robusto di quanto sia possibile oggi.

I computer quantistici, che possono risolvere un complesso problema matematico in pochi minuti rispetto a migliaia di anni per i supercomputer, attualmente immagazzinano informazioni manipolando elettroni o luce a temperature ultra basse vicine allo zero assoluto o circa -273 gradi Celsius.

Ma i dati memorizzati in un computer quantistico possono essere facilmente corrotti da disturbi dell’ambiente, comprese vibrazioni, radiazioni da oggetti caldi o cambiamenti nei campi elettrici.

Gli elettroni che scorrono come liquidi aprono la strada a robusti computer quantistici

(L-R) il dottor Que Yande, ricercatore senior dell’SPMS di NTU Singapore; la dottoranda Jia Junxiang, la prima autrice dello studio; e l’Asst Prof Bent Weber della scuola che ha condotto la ricerca, con un microscopio a scansione tunnel all’università. Credito: SPMS/NTU Singapore

Tuttavia, si ritiene che i parafermioni siano molto più resistenti a tali disturbi perché le interazioni tra gli elettroni che formano un parafermione e il modo in cui si muovono in un materiale li rendono più stabili. Se i parafermioni fossero usati per immagazzinare informazioni nei computer quantistici, le macchine dovrebbero essere meno soggette a errori.

Scansione di elettroni

In quest’ultima ricerca, gli scienziati hanno osservato come si comportavano gli elettroni al microscopio a scansione a effetto tunnel. Ciò è stato fatto avvicinando incredibilmente il bordo di una classe speciale di materiale isolante elettrico molto sottile alla punta metallica estremamente affilata del microscopio. La distanza tra i due era solo un nanometro o meno, persino più piccola di un filamento di DNA.

Il materiale isolante utilizzato dai ricercatori includeva cristalli microscopici spessi un atomo del composto ditelluride di tungsteno cresciuto su un substrato di grafite o grafene. Tali materiali, che appaiono quasi bidimensionali, sono classificati come “isolatori di Hall di spin quantico”, che sono elettricamente isolanti all’interno ma hanno elettroni presenti lungo i bordi dei materiali.

Gli elettroni che scorrono come liquidi aprono la strada a robusti computer quantistici

(LR) il dottor Que Yande, ricercatore senior della Nanyang Technological University, School of Physical and Mathematical Sciences (SPMS) di Singapore; Asst Prof Bent Weber della scuola che ha condotto la ricerca; e la studentessa di dottorato Jia Junxiang, la prima autrice dello studio, con un microscopio a scansione tunnel all’università. Credito: SPMS/NTU Singapore

Gli scienziati hanno quindi applicato una corrente elettrica dal microscopio e osservato gli elettroni, mantenendo la temperatura dell’esperimento a un minimo di 4,5 Kelvin o circa -269 gradi Celsius. Questo è vicino allo zero assoluto, la temperatura alla quale le particelle rallentano così tanto da smettere di muoversi quasi completamente.

Di solito, gli elettroni si respingono l’un l’altro poiché sono tutti carichi negativamente e tendono a comportarsi in modo simile a un gas, non tipicamente raggruppandosi. Ma quando la temperatura scende, i movimenti degli elettroni rallentano.

A temperature sufficientemente basse, una forte repulsione tra gli elettroni fa sì che le particelle si comportino come un liquido.

Una misura della forza delle interazioni è un valore chiamato parametro Luttinger. Quando questo parametro è 1, le interazioni tra gli elettroni sono più deboli.

“Quando il parametro Luttinger è inferiore a 0,5, le interazioni sono forti e gli elettroni sono costretti a un movimento collettivo. Questo è il regno in cui si prevede che esistano i parafermioni”, ha affermato il prof. Weber dell’Asst.

Utilizzando diversi substrati come grafene o grafite e controllando diversi bordi dei materiali, i ricercatori sono stati in grado di determinare parametri Luttinger molto bassi che potevano essere controllati in un intervallo compreso tra 0,21 e 0,33.

“Questa è una gamma di variazione davvero notevole, poiché il parametro Luttinger può variare solo tra 0 e 1”, ha affermato l’Asst. prof. Weber. “Il controllo del parametro Luttinger a valori così bassi non è mai stato osservato prima in nessun liquido Tomonaga-Luttinger elicoidale”.

Sig. Jia Junxiang, un dottorato di ricerca studente dell’Asst. prof. Il gruppo di ricerca di Weber e il primo autore dello studio, ha affermato che gli esperimenti erano difficili da condurre.

“La spettroscopia di tunneling a scansione è stata eseguita a temperature di 4,5 Kelvin e dovevamo individuare le caratteristiche entro meno di 30 nanometri (nm)”, ha affermato. “Il bordo dell’isolante Hall di spin quantico testato aveva uno spessore di soli 2 nm”.

Sondare la superficie dei materiali con il microscopio a tali distanze senza perdere di vista il punto osservato tra le variazioni di temperatura è molto impegnativo.

“In futuro, una delle nostre maggiori sfide sarà quella di passare a temperature ancora più basse, necessarie per osservare i parafermioni. Per questo, abbiamo bisogno di laboratori e attrezzature molto più avanzati”, ha affermato il sig. Jia.

Andando avanti, l’Asst. prof. Weber prevede di condurre esperimenti utilizzando apparecchiature così avanzate in un nuovo laboratorio a vibrazioni ultra basse che è stato costruito quest’anno presso la NTU di Singapore. Il laboratorio consentirà di condurre esperimenti a temperature ancora più basse di 150 millikelvin (mK), che è vicino a -273 gradi Celsius, dove alcuni materiali possono diventare superconduttori.

La sperimentazione sugli isolanti di Hall di spin quantistico superconduttore sarà la prossima fase della ricerca che il suo team intraprenderà nella ricerca di parafermioni.


Comportamento degli elettroni “intrappolati” in un mondo unidimensionale osservato in laboratorio


Maggiori informazioni:
Junxiang Jia et al, Sintonizzazione delle interazioni a molti corpi in un liquido Luttinger elicoidale, Comunicazioni sulla natura (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-33676-0

Fornito dall’Università tecnologica di Nanyang

Citazione: Gli elettroni che scorrono come liquidi aprono la strada a robusti computer quantistici (2022, 25 ottobre) recuperati il ​​26 ottobre 2022 da https://phys.org/news/2022-10-electrons-liquids-pave-robust-quantum.html

Questo documento è soggetto a copyright. Al di fuori di qualsiasi correttezza commerciale a fini di studio o ricerca privati, nessuna parte può essere riprodotta senza il permesso scritto. Il contenuto è fornito a solo scopo informativo.

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *