Los físicos de la Universidad Rice, en un estudio dirigido por Skimmion, han conectado dos subcampos de la física cuántica al demostrar que estados topológicos inmutables específicos críticos para la computación cuántica pueden entrelazarse con estados cuánticos variables en ciertos materiales. Este descubrimiento permite operaciones potenciales a temperaturas significativamente más altas, lo que ofrece enormes perspectivas funcionales.
Físicos de la Universidad Rice han demostrado que los estados topológicos inmutables tan buscados en la computación cuántica pueden entrelazarse con otros estados cuánticos manipulados en ciertos materiales.
"Lo sorprendente que encontramos es que en una red especial donde los electrones están atrapados, el comportamiento fuertemente acoplado de los electrones en los orbitales atómicos d en realidad se comporta como los sistemas orbitales f de algunos fermiones pesados", dijeron los autores de un estudio relacionado en Science Advances.
Este descubrimiento inesperado proporciona un puente entre subcampos de la física de la materia condensada que se centran en diferentes propiedades emergentes de los materiales cuánticos. Por ejemplo, en materiales topológicos, los patrones entrelazados cuánticos producen estados inmutables "protegidos" que pueden usarse en computación cuántica y espintrónica. El entrelazamiento de miles de millones de electrones en materiales fuertemente correlacionados puede producir comportamientos como superconductividad no convencional y fluctuaciones magnéticas sostenidas en líquidos de espín cuántico.
En el estudio, Shi Qimiao y el coautor Haoyu Hu, un ex estudiante graduado de su grupo de investigación, construyeron y probaron un modelo cuántico para explorar el acoplamiento de electrones en disposiciones reticulares "frustradas", como las que se encuentran en metales y semimetales con características de "banda plana", lo que sugiere que los electrones se atascan y se amplifican fuertes efectos de correlación.
La investigación es parte de un esfuerzo continuo de Skimmion, quien en julio recibió la prestigiosa beca universitaria Vannevar Bush del Departamento de Defensa de EE. UU., para validar marcos teóricos para controlar los estados topológicos de la materia.
En este estudio, Shi Qimiao y Hu Haoyu demostraron que los electrones de los orbitales atómicos d pueden convertirse en parte de orbitales moleculares más grandes compartidos por múltiples átomos en la red cristalina. La investigación también muestra que los electrones en los orbitales moleculares pueden entrelazarse con otros electrones frustrados, creando fuertes efectos de correlación, algo muy familiar para Si, que ha estudiado materiales fermónicos pesados durante muchos años.
"Estos son sistemas completamente electrónicos", dijo Schimiao. "En el mundo de los electrones d, es como si hubiera una autopista de varios carriles. En el mundo de los electrones f, puedes pensar en electrones moviéndose en dos capas. Una es como una autopista de electrones d, y la otra es como un camino de tierra, que se mueve muy lentamente".
Si dice que los sistemas electrónicos f tienen ejemplos físicos muy claros de fuertes correlaciones, pero no son adecuados para el uso diario.
"Este camino de tierra está demasiado lejos de la autopista", dijo. "Los efectos de la carretera son muy pequeños, lo que significa escalas de energía diminutas y temperaturas físicas muy bajas. Eso significa que es necesario alcanzar temperaturas de alrededor de 10 Kelvin para ver los efectos del acoplamiento. Ese no es el caso en el mundo electrónico. En las carreteras de varios carriles, las cosas se acoplan de manera muy eficiente".
Incluso si la banda de frecuencia es plana, la eficiencia del acoplamiento todavía existe. Si lo comparó con un carril de una carretera que se vuelve tan ineficiente y lento como un camino de tierra.
"Aunque se ha convertido en un camino de tierra, todavía comparte estatus con los otros carriles porque todos provienen de la vía D", dijo Si. "En realidad es un camino de tierra, pero está más acoplado, y eso se traduce en física a temperaturas más altas. Eso significa que puedo tener toda la física exquisita basada en electrones f, para la cual tengo modelos bien definidos y mucha intuición de años de investigación, pero en lugar de tener que ir a 10 Kelvin, puedo trabajar a, digamos, 200 Kelvin, tal vez incluso 300 Kelvin, o temperatura ambiente. Así que desde una perspectiva funcional, es muy prometedor".