Hacia los cúbits topológicos de grafeno

En el mundo cuántico, los electrones pueden agruparse para comportarse de formas fascinantes. El magnetismo es uno de estos comportamientos que vemos en nuestro día a día, al igual que el fenómeno más raro de la superconductividad. Curiosamente, estos dos comportamientos son a menudo antagonistas, lo que significa que la existencia de uno tiende a destruir la del otro.

En la actualidad, 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.

Ahora, un trabajo liderado por investigadores del IFIMAC en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) en España, 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.

Los investigadores, mediante un microscopio de efecto túnel, lograron visualizar por primera vez estados de Yu-Shiba-Rusinov en grafeno, abriendo un camino hacia cúbits 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”.

Imagen seleccionada como portada de la revista Advanced Materials. 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-Shiba-Rusinov. (Imagen: Advanced Materials)

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, el diseño y control de cúbits topológicos ha sido hasta hora 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.

El grafeno, formado por una sola capa de átomos de carbono, representa un material común y altamente controlable que ha emergido como uno de los materiales clave para las tecnologías cuánticas. Sin embargo, el grafeno químicamente puro no es magnético ni superconductor, que son los dos ingredientes principales necesarios para construir cúbits 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.

El estudio se titula “Observation of Yu-Shiba-Rusinov states in superconducting graphene“. Y se publicó en la revista académica Advanced Materials, apareciendo como artículo de portada. (Fuente: UAM)