Un nuevo trabajo sugiere la capacidad de crear electrones fraccionados, conocidos como anyones no abelianos, sin un campo magnético, lo que abre nuevas posibilidades para la investigación básica y futuras aplicaciones.
Los físicos del MIT han demostrado que debería ser posible crear una forma exótica de materia que pudiera manipularse para formar los bloques de construcción qubit (bit cuántico) de futuras computadoras cuánticas que serían incluso más potentes que las computadoras cuánticas que se están desarrollando hoy en día.
El trabajo se basa en un descubrimiento realizado el 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 fue descubierto por primera vez en 1982 y resultó en un premio Nobel . Sin embargo, ese trabajo requirió la aplicación de un campo magnético. La capacidad de crear 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 señala 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 espaciotemporales; este efecto de memoria puede ser útil para la computación cuántica”, afirma Liang Fu, profesor del Departamento de Física del MIT y líder del trabajo.
Fu señala 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”.
Fu también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT. Sus colegas en el trabajo actual son los estudiantes de posgrado Aidan P. Reddy y Nisarga Paul, y el posdoctorado Ahmed Abouelkomsan, todos del Departamento de Física del MIT. Reddy y Paul son coautores principales del artículo de Physical Review Letters .
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 cúbits viables y manipular las excitaciones de estos estados para permitir una computación cuántica robusta”, escribe Ryan Wilkinson.
El trabajo actual se basó en los recientes avances en materiales 2D, es decir, aquellos que constan de una o varias capas de átomos. “Todo el mundo de los materiales bidimensionales es muy interesante porque se pueden apilar y torcer, y es como jugar con Legos para obtener todo tipo de estructuras sándwich interesantes con propiedades inusuales”, dice Paul. Esas estructuras sándwich, a su vez, se denominan materiales muaré.
Los aniones sólo pueden formarse en materiales bidimensionales. ¿Podrían formarse en materiales muaré? Los experimentos de 2023 fueron los primeros en demostrar que es posible. 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 agregarse a la lista”.
Reddy añade: “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 anyones 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 comenta: “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”.
Este trabajo recibió el apoyo de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Los autores también agradecen al MIT SuperCloud y al Centro de Supercomputación del Laboratorio Lincoln, al Instituto Kavli de Física Teórica, a la Fundación Knut y Alice Wallenberg y a la Fundación Simons. MIT News. Traducido al español
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