Chiral Majorana hinge modes on a curved surface with magnetic impurities

Nella ricerca di un modo per costruire un computer quantistico che non perda informazioni alla minima vibrazione o calore, gli scienziati stanno dando la caccia a un tipo molto specifico di particella. Stanno cercando uno stato della materia in cui gli elettroni si comportano come fantasmi, esistendo in due posti contemporaneamente e proteggendo i propri segreti. Questo stato elusivo è chiamato superconduttore topologico. In questi materiali, la superficie agisce come un'autostrada per particelle note come modi di Majorana. Queste particelle sono le proprie antiparticelle e, cosa fondamentale, possono essere disposte per formare linee monodimensionali che sono incredibilmente stabili contro gli errori. Se i ricercatori riuscissero a isolare e controllare queste linee, potrebbero usarle come blocchi costruttivi per un nuovo tipo di memoria quantistica che sia molto più robusta di qualsiasi cosa sia attualmente possibile. La sfida è sempre stata capire come creare le condizioni giuste affinché queste linee appaiano senza distruggere lo stato delicato del materiale stesso.

Per anni, il metodo standard per creare queste linee protettive ha comportato l'applicazione di un forte campo magnetico sulla superficie di un superconduttore tridimensionale. L'idea era che il campo magnetico avrebbe agito come un interruttore, cambiando le proprietà della superficie in un modo che costringe le particelle di Majorana ad ammassarsi lungo una linea specifica, proprio come l'acqua che scorre verso il punto più basso di una valle. Tuttavia, c'era un grave difetto in questo approccio. Man mano che il campo magnetico diventava più forte per creare le condizioni necessarie, iniziava anche a spingere gli elettroni nel materiale a muoversi in cerchio, creando correnti elettriche che distorcevano la stessa superficie che gli scienziati stavano cercando di studiare. Alla fine, questa distorsione diventava così forte da sovrastare l'effetto magnetico, rendendo impossibile creare le linee stabili necessarie per l'informatica quantistica. Più forte era il campo, più il materiale combatteva, rovinando l'esperimento.

Un team di ricercatori ha ora proposto una strada diversa che evita interamente questo conflitto. Invece di fare affidamento su un potente campo magnetico esterno per fare tutto il lavoro, suggeriscono di "spolverare" la superficie del superconduttore con piccole impurità magnetiche — atomi che agano come magneti in miniatura. Queste impurità interagiscono con le particelle superficiali attraverso una forza chiamata accoppiamento di scambio, che è una stretta di mano quantistica tra l'impurità e l'elettrone. Questa interazione crea un effetto magnetico locale che è abbastanza forte da cambiare le proprietà della superficie, ma non genera le correnti circolari dirompenti che un grande campo esterno produrrebbe. I ricercatori hanno scoperto che queste impurità non rimangono lì passivamente; esse "parlano" tra loro attraverso le particelle superficiali. Questa conversazione, nota come interazione RKKY, causa l'ordinamento spontaneo delle impurità in un modello specifico.

Su una superficie sferica, questo ordinamento spontaneo crea una forma che assomiglia a un riccio, con tutti i piccoli momenti magnetici che puntano direttamente verso l'esterno dal centro. Sebbene questo modello a riccio sia stabile, esso copre l'intera superficie e nasconde le linee speciali di cui gli scienziati hanno bisogno. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che l'applicazione di un campo magnetico molto debole lungo l'asse della sfera cambia le carte in tavola. Questo campo debole non è abbastanza forte da causare le correnti dirompenti, ma è appena sufficiente a convincere le impurità a riorganizzarsi. Invece di puntare verso l'esterno ovunque, le impurità nella metà superiore della sfera puntano verso l'esterno, mentre quelle nella metà inferiore puntano verso l'interno. Ciò crea un confine, o un muro, proprio intorno alla metà della sfera, l'equatore.

A questo equator, le proprietà magnetiche della superficie si invertono da una direzione all'altra. Questo ribaltamento è esattamente ciò che serve per intrappolare una singola, pulita linea di particelle di Majorana. I ricercatori hanno dimostrato, attraverso calcoli dettagliati e simulazioni al computer, che questa linea appare precisamente all'equatore, protetta dalla simmetria della sfera. Il campo magnetico richiesto per creare questo stato è incredibilmente piccolo, molto più debole dei livelli che causerebbero le distorsioni del materiale. Il lavoro pesante è svolto dalle impurità stesse, che si organizzano in questa specifica struttura a muro, mentre il campo esterno agisce semplicemente come un selettore per scegliere questo arrangiamento rispetto a quello a riccio.

Lo studio conferma che questa configurazione crea un superconduttore topologico di secondo ordine, un raro stato della materia in cui la protezione non esiste sulla superficie, ma su una linea dove due superfici si incontrano. I ricercatori hanno verificato le loro scoperte utilizzando simulazioni informatiche classiche che modellavano il comportamento di centinaia di impurità su una sfera. Hanno scoperto che la transizione dallo stato a riccio allo stato di muro equatoriale avviene a una forza di campo specifica e prevedibile, che dipende dalla distanza tra le impurità e dalle dimensioni della sfera. Una volta formato questo muro, la linea di Majorana rimane stabile anche se il campo aumenta ulteriormente, con le impurità che si limitano a inclinarsi leggermente verso il campo senza rompere il modello. Questo lavoro suggerisce che, decorando un piccolo cristallo o una particella con atomi magnetici, gli scienziati potrebbero creare l'ambiente ideale per queste particelle quantistiche senza gli effetti distruttivi dei magneti forti. Se si confermerà che materiali come l'UTe2 ospitano questo specifico tipo di superconduttività, questo metodo potrebbe fornire una via pratica per costruire i circuiti quantistici stabili necessari per il futuro dell'informatica.