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Nuevo paso hacia los cúbits topológicos de grafeno

Experimentos realizados en la Universidad Autónoma de Madrid han demostrado que el magnetismo y la superconductividad pueden coexistir en el grafeno, generando un estado exótico llamado Yu-Shiva-Rusinov. Los resultados abren la puerta a la creación de cúbits o bits cuánticos basados en este material, claves para el futuro de la computación cuántica topológica.

La isla triangular de plomo hace al grafeno superconductor. Al mismo tiempo, se introducen momentos magnéticos utilizando fronteras de grano existentes de forma natural en grafeno. Cuando coexisten la superconductividad y el magnetismo, se genera un estado exótico Yu-Shiva-Rusinov. La imagen (girada) ha sido seleccionada como portada de la revista Advanced Materials. / Advanced Materials

En el mundo cuántico, los electrones pueden agruparse para comportarse de formas fascinantes, interviniendo en fenómenos como el cotidiano magnetismo (fenómenos mediados por campos magnéticos habituales en nuestros dispositivos electrónicos) y la más rara superconductividad (capacidad de algunos materiales para conducir la corriente eléctrica sin resistencia ni pérdidas en determinadas condiciones). Estos dos comportamientos a menudo son antagonistas: la existencia de uno tiende a destruir la del otro. 

Los esfuerzos de muchos investigadores se centran en encontrar materiales donde estos dos estados cuánticos opuestos puedan coexistir artificialmente, ya que esto generaría un extraño estado llamado Yu-Shiba-Rusinov, el cual puede usarse para fabricar cúbits topológicos, que son la clave para los futuros ordenadores cuánticos. 

Experimentos realizados en el centro IFIMAC de la Universidad Autónoma de Madrid han demostrado que el magnetismo y la superconductividad pueden coexistir en el grafeno, lo que abre el camino a la creación de cúbits o bits cuánticos basados en este material 

Ahora, un trabajo liderado por investigadores del centro IFIMAC en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), con la colaboración de la Universidad Aalto (Finlandia), el CNRS (Francia) y el INL (Portugal), ha demostrado experimentalmente que el magnetismo y la superconductividad pueden coexistir en el grafeno. 

El trabajo, que apareció recientemente en la portada la revista Advanced Materials, describe cómo los investigadores, mediante un microscopio de efecto túnel, lograron visualizar por primera vez estados de Yu-Shiba-Rusinov en grafeno, abriendo un camino hacia bits cuánticos topológicos basados en este material. 

En palabras del investigador Iván Brihuega, que lidera el grupo de la UAM donde se han realizado los experimentos, “esos estados proporcionan un punto de partida para poder finalmente crear cúbits topológicos de grafeno, revelando el potencial del grafeno como plataforma para la computación cuántica topológica”. 

La topología es una rama de las matemáticas que permite describir cómo materiales muy finos pueden, paso a paso, experimentar extraños cambios gobernados por leyes cuánticas. Sus aplicaciones se extienden al campo de los superconductores y la electrónica. Los materiales topológicos cogieron notoriedad al recibir el Premio Nobel de Física en 2016.

Grafeno en la futura computación cuántica 

Respecto a los cúbits topológicos, proporcionan la base para la computación cuántica topológica, un tipo de computación cuántica mucho menos sensible a las interferencias externas. Sin embargo, su diseño y control ha sido hasta ahora un problema crítico, debido a la dificultad de encontrar materiales capaces de albergar estados de Yu-Shiba-Rusinov. En la búsqueda estos materiales, los investigadores han recurrido al grafeno.

Los cúbits topológicos proporcionan la base para la computación cuántica topológica, una clase mucho menos sensible a las interferencias externas

El grafeno, formado por una sola capa de átomos de carbono, representa un material común y altamente controlable que ha emergido como claves para las tecnologías cuánticas. Sin embargo, en su estado químicamente puro no es magnético ni superconductor, que son los dos ingredientes principales necesarios para construir los bits cuánticos topológicos basados en estados de Yu-Shiba-Rusinov.

Para superar este escollo, los autores introdujeron la superconductividad en el grafeno mediante su acoplamiento con islas de plomo de tamaño nanométrico, y utilizaron las fronteras de grano, formadas naturalmente entre regiones de grafeno de diferentes orientaciones cristalográficas, como fuente de momentos magnéticos locales.

Imagen de microscopía de efecto túnel de una de las muestras de grafeno utilizadas en el experimento. Las islas de plomo de forma triangular (en azul) se forman sobre la superficie del grafeno (en rojo), induciendo la superconductividad en este material. En la imagen también se observan varias fronteras de grano, que introducen momentos magnéticos en el grafeno. La imagen está medida a -270ºC / Cortés-del Río et al.

Referencia:

Cortés‐del Río, E., Lado, J.L., Cherkez, V., Mallet, P., Veuillen, J.Y., Cuevas, J.C., Gómez‐Rodríguez, J.M., Fernández‐Rossier, J., Brihuega, I. Observation of Yu-Shiba-Rusinov states in superconducting graphene. Advanced Materials, 2021. 

Fuente:
UAM
Derechos: Creative Commons.
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