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Físicos del MIT han demostrado la posibilidad de crear una forma exótica de materia que pueda manipularse para formar los bloques de construcción de los qubits de los futuros ordenadores cuánticos.
El trabajo se basa en un descubrimiento del año pasado de materiales que albergan electrones que pueden dividirse en fracciones de sí mismos pero, lo que es más importante, pueden hacerlo sin la aplicación de un campo magnético. El fenómeno general de la fraccionación de electrones se descubrió por primera vez en 1982 y resultó en un Premio Nobel.
Ese trabajo, sin embargo, requirió la aplicación de un campo magnético. La capacidad de crear los electrones fraccionados sin un campo magnético abre nuevas posibilidades para la investigación básica y hace que los materiales que los albergan sean más útiles para las aplicaciones.
Cuando los electrones se dividen en fracciones de sí mismos, esas fracciones se conocen como anyones. Los anyones vienen en una variedad de sabores o clases. Los anyones descubiertos en los materiales de 2023 se conocen como anyones abelianos. Ahora, en un artículo publicado en la edición del 17 de octubre de Physical Review Letters, el equipo del MIT informa que debería ser posible crear la clase más exótica de anyones, los anyones no abelianos.
“Los anyones no abelianos tienen la asombrosa capacidad de ‘recordar’ sus trayectorias espacio-temporales; este efecto de memoria puede ser útil para la computación cuántica”, dice en un comunicado Liang Fu, profesor del Departamento de Física del MIT y líder del trabajo.
Fu señaló además que “los experimentos de 2023 sobre fraccionamiento de electrones superaron ampliamente las expectativas teóricas. Mi conclusión es que los teóricos deberíamos ser más audaces".
El trabajo del MIT y dos estudios relacionados también aparecieron en un artículo del 17 de octubre en la revista Physics Magazine. “Si esta predicción se confirma experimentalmente, podría conducir a computadoras cuánticas más confiables que puedan ejecutar una gama más amplia de tareas... Los teóricos ya han ideado formas de aprovechar los estados no abelianos como qubits viables y manipular las excitaciones de estos estados para permitir una computación cuántica robusta", escribe Ryan Wilkinson.
El trabajo actual se guió por los avances recientes en materiales 2D, o aquellos que consisten en solo una o unas pocas capas de átomos. “Todo el mundo de los materiales bidimensionales es muy interesante porque puedes apilarlos y torcerlos, y jugar con ellos para obtener todo tipo de estructuras sándwich geniales con propiedades inusuales”, dice Paul. Esas estructuras sándwich, a su vez, se llaman materiales muaré.
Los anyones solo pueden formarse en materiales bidimensionales. ¿Podrían formarse en materiales muaré? Los experimentos de 2023 fueron los primeros en demostrar que pueden. Poco después, un grupo dirigido por Long Ju, profesor adjunto de física del MIT, informó de la existencia de aniones en otro material muaré (Fu y Reddy también participaron en el trabajo de Ju).
En el trabajo actual, los físicos demostraron que debería ser posible crear aniones no abelianos en un material muaré compuesto por capas atómicamente delgadas de ditelururo de molibdeno. Paul afirma que “los materiales muaré ya han revelado fases fascinantes de la materia en los últimos años, y nuestro trabajo demuestra que las fases no abelianas podrían añadirse a la lista".
Reddy añade que “nuestro trabajo demuestra que cuando se añaden electrones a una densidad de 3/2 o 5/2 por celda unitaria, pueden organizarse en un intrigante estado cuántico que alberga aniones no abelianos”.
El trabajo fue emocionante, dice Reddy, en parte porque "a menudo hay sutilezas en la interpretación de los resultados y lo que realmente te dicen. Así que fue divertido pensar en nuestros argumentos" en apoyo de los anyons no abelianos.
Paul dice: “Este proyecto abarcó desde cálculos numéricos muy concretos hasta teoría bastante abstracta y conectó ambos. Aprendí mucho de mis colaboradores sobre algunos temas muy interesantes”.