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El filtro A-List para una computación cuántica impecable presenta una sorpresa tentadora

Impresión de un artista de un neutrón que choca con una muestra de dicloruro de uranio superconductor en experimentos en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Se sospecha que los cristales de uranio (gris oscuro) y telurio (marrón) albergan una superconductividad de triple espín, un estado caracterizado por pares de electrones con espines orientados en la misma dirección (azul). En los experimentos de dispersión de neutrones, los neutrones entrantes interrumpen los pares girando una bobina en la dirección opuesta (rojo), revelando una clara evidencia del estado mecánico cuántico del par. Crédito: Jill Heyman / ORNL

El resultado desconcertante está obligando a los físicos a repensar la superconductividad de «triple espín».

Un estudio dirigido por la Universidad de Rice ha obligado a los físicos a repensar la superconductividad en la ditelurida de uranio, un material de primer nivel en la carrera global para crear computadoras cuánticas tolerantes a fallas.

Se cree que los cristales de decloruro de uranio contienen una sustancia rara.triple giroUna forma de superconductividad, pero los tentadores resultados experimentales publicados esta semana en naturaleza temperamental Invertir la explicación principal de cómo aparece el estado de la materia en la materia. Experimentos de dispersión de neutrones realizados por físicos de Rice, el Laboratorio Nacional Oak Ridge, la Universidad de California, San Diego y el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Universidad Estatal de Florida revelaron signos reveladores de fluctuaciones de espín antimagnético que están asociadas con la superconductividad en el dicloruro de uranio.

La superconductividad de triple espín no se ha observado en un sólido, pero los físicos han sospechado durante mucho tiempo que se origina en un estado ferromagnético ordenado. La carrera por encontrar materiales de espín 3D se ha intensificado en los últimos años debido a su capacidad para albergar cuasipartículas elusivas llamadas Majorana Vermione que se puede utilizar para hacer Computadoras cuánticas sin errores.

«La gente ha gastado miles de millones de dólares tratando de encontrarlos», dijo Pengcheng Dai, coautor del estudio de Rice sobre los fermiones de Majorana. Cuasipartículas virtuales que se puede utilizar para hacer Bits topológicos cuánticos Libre del problema de desconexión que me atormentaba Qubits en las computadoras cuánticas de hoy.

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«La promesa es que si tiene un superconductor de triple espín, podría potencialmente usarse para hacer qubits topológicos», dijo Day, profesor de física y astronomía y miembro de Rice Quantum Initiative. «No se puede hacer eso con superconductores de giro. Por eso, la gente está interesada en esto».

Pengcheng Dai, Chunruo Duan y Qimiao Si

Los físicos de la Universidad de Rice (de izquierda a derecha) Pengcheng Dai, Chunruo Duan y Qimiao Si fueron coautores de un estudio que reveló hallazgos tentadores sobre la ditelurida de uranio, un material sospechoso durante mucho tiempo de tener una rara forma de superconductividad de «triple giro». Crédito: Foto de Jeff Fitlow / Rice University

La superconductividad ocurre cuando los electrones forman pares y se mueven como uno, como pares girando en una pista de baile. Es normal que los electrones se odien entre sí, pero su tendencia a evitar otros electrones puede ser superada por su deseo inherente de poca energía. Si el emparejamiento permite que los electrones alcancen un estado más perezoso del que pueden lograr solos, lo cual solo es posible a temperaturas extremadamente frías, se pueden convertir en pares.

La persuasión se presenta en forma de fluctuaciones en su entorno físico. En superconductores ordinarios, como el plomo, las oscilaciones son vibraciones en la red atómica de átomos de plomo dentro del cable superconductor. Los físicos aún tienen que determinar las fluctuaciones que causan una superconductividad no convencional en materiales como el decloruro de uranio. Pero décadas de estudio han encontrado cambios de fase, los momentos de retraso en los que los electrones se reordenan espontáneamente, en los puntos críticos donde comienza el emparejamiento.

En las ecuaciones de la mecánica cuántica, estos arreglos ordenados espontáneos se representan en términos conocidos como parámetros de orden. El nombre de triple rotación se refiere al colapso espontáneo de tres simetrías en estos arreglos arreglados. por ejemplo, girar electrones Constantemente, como un pequeño imán de barra. Uno de los parámetros del sistema se relaciona con el eje de rotación (piense en el Polo Norte), que apunta hacia arriba o hacia abajo. La disposición ferromagnética es cuando todas las rotaciones apuntan en la misma dirección, y la disposición antiferromagnética es cuando se alternan en orden de arriba hacia abajo y de arriba hacia abajo. En el solo confirma triple giro, helio superlíquido 3, el parámetro de solicitud tiene no menos de 18 componentes.

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«Cualquier otra superconductividad es una camiseta giratoria», dijo Day, quien también es miembro del Centro Rice de Materiales Cuánticos (RCQM). «En una camiseta giratoria, tienes una hacia arriba y otra hacia abajo, y si pones un campo magnético, puede destruir fácilmente la superconductividad».

Eso es porque el campo magnético fuerza a los devanados a alinearse en la misma dirección. Cuanto más fuerte sea el campo, mayor será el empuje.

«El problema del decloruro de uranio es El campo a ser destruido «La superconductividad es de 40 Tesla», dijo Day. «Es enorme. Durante 40 años, la gente pensó que la única posibilidad de que sucediera era que cuando pones un campo, los giros realmente giraban en una dirección, lo que significaba que era un ferromagnético».

En el estudio, el investigador postdoctoral de Dai y Rice, Chunruo Duan, autor principal del estudio, trabajó con el coautor del estado de Florida Ryan Baumbach, cuyo laboratorio cultivó muestras de monocristales de ditelurida de uranio utilizadas en el experimento, y el coautor de UCSD, Brian Maple. , cuyo laboratorio probó y preparó muestras para experimentos de dispersión de neutrones en la fuente de espalación de neutrones de Oak Ridge.

“Lo que hace el neutrón es que viene con cierta energía e impulso, y puede cambiar el par de Cooper de un estado ascendente a descendente”, dijo Day. «Te dice cómo se forman los pares. A través de la resonancia de espín de este neutrón, uno puede esencialmente determinar la energía de emparejamiento de electrones» y otras propiedades reveladoras de la función de onda de la mecánica cuántica que describe el par, dijo.

Hay dos posibles explicaciones para el resultado, dijo Day: o el decloruro de uranio no es un superconductor de espín triple, o una superconductividad de triple espín surge de las fluctuaciones de espín antiferromagnético de una manera que los físicos no habían imaginado previamente. Dai dijo que décadas de evidencia empírica Se refiere a este último, pero esto parece violar la sabiduría convencional sobre la superconductividad. So Dai se asoció con su colega de Rice, Qimiao Si, un físico teórico que se especializa en fenómenos cuánticos emergentes como la superconductividad no convencional.

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C, coautor del estudio, ha pasado gran parte de los últimos cinco años presentando la teoría del acoplamiento multibiológico que co-desarrolló con un Ph. Estudiante Emilian Nika Explica resultados experimentales contradictorios. en varios tipos de superconductores no convencionales, incluidos los fermiones pesados, una clase que incluye el dicloruro de uranio.

En el emparejamiento multiorbital, es más probable que los electrones de algunas capas atómicas formen pares que en otras. Si think afirma que el uranio tiene la capacidad de aportar electrones dobles desde cualquiera de los siete orbitales con 14 estados posibles.

«Los multiorbitales fueron lo primero que me vino a la mente», dijo. «No sería posible si solo tuviera una banda o una órbita, pero los orbitales aportan una nueva dimensión a los posibles pares de superconductores no convencionales. Es como una paleta de colores. Los colores son números cuánticos intrínsecos, y y electrones En materiales a base de uranio, el fermión pesado se prepara naturalmente para obtener estos colores. Conduce a nuevas posibilidades más allá de la «tabla periódica de estados de conjugación». Una de estas nuevas posibilidades resulta ser el emparejamiento gradual triple «.

Si y Neka, ahora en la Universidad Estatal de Arizona, muestran que los acoplamientos antiferromagnéticos pueden conducir a estados de acoplamiento de triple espín plausibles, de baja energía.

«Los estados de tripletes de espín son muy poco probables en la gran mayoría de los casos porque los pares tendrán forma de espín para reducir su energía», dijo Sy. «En el decloruro de uranio, el acoplamiento de espín-órbita puede alterar el panorama energético de una manera que hace que los estados de triple acoplamiento de espín sean más competitivos con sus contrapartes de tipo articulado por espín».

Referencia: “Resonancia de fluctuaciones de espín antiferromagnético en superconductividad en UTe2Por Chunruo Duan, RE Baumbach, Andrey Podlesnyak, Yuhang Deng, Camilla Moir, Alexander J. Breindel, M. Brian Maple, E.M. Nica, Qimiao Si, Pengcheng Dai, 22 de diciembre de 2021, naturaleza temperamental.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04151-5

Sy es el profesor Harry C. y Olga K. Wiess en el Departamento de Física y Astronomía de Rice y Director de RCQM. Otros coautores incluyen a Andrei Podelsniak de Oak Ridge y Yohang Deng y Camilla Muir y Alexander Brendel de la Universidad de California en San Diego.

La investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía (DE-SC0012311, DE-SC0016568, DE-SC0018197, DEFG02-04-ER46105), Robert A. 1411), la Fundación Nacional de Ciencias (1644779, 1810310, 1607611), el Estado de Florida, la Universidad Estatal de Arizona y la Oficina de Instalaciones para Usuarios Científicos del Departamento de Energía en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge es una fuente de fragmentación de neutrones.