Nuevo instrumento mide el flujo de supercorrientes, los datos tienen aplicaciones en la computación cuántica

Newswise – AMES, Iowa – Jigang Wang ofreció una descripción general rápida de un nuevo tipo de microscopio que puede ayudar a los investigadores a comprender y, en última instancia, desarrollar el funcionamiento interno de la computación cuántica.

Wang, profesor de física y astronomía en la Universidad Estatal de Iowa, también afiliado al Laboratorio Nacional Ames del Departamento de Energía de EE. UU., describió cómo funciona el instrumento a escalas extremas de espacio, tiempo y energía: mil millonésimas de metro, mil millonésimas de segundo. y trillones. de ondas electromagnéticas por segundo.

Wang señaló y explicó los sistemas de control, la fuente láser, el laberinto de espejos que forman un camino óptico para la luz pulsada a miles de millones de ciclos por segundo, el imán superconductor que rodea el espacio de la muestra, el microscopio de fuerza Atómico a medida, el amarillo brillante criostato que baja la temperatura de la muestra a la temperatura del helio líquido, aproximadamente -450 grados Fahrenheit.

Wang llama al instrumento un microscopio óptico criogénico de magneto-terahercios de exploración de campo cercano. (Es cm-SNOM para abreviar). Tiene su sede en la Instalación de instrumentos sensibles del Laboratorio Nacional Ames, justo al noroeste del campus del estado de Iowa.

Se necesitaron cinco años y 2 millones de dólares (1,3 millones de dólares de la Fundación WM Keck de Los Ángeles y 700.000 dólares del estado de Iowa y el Laboratorio Nacional Ames) para construir el instrumento. Ha estado recopilando datos y contribuyendo a los experimentos durante menos de un año.

“Nadie lo tiene”, dijo Wang sobre el nanoscopio de escala extrema. “Es el primero en el mundo”.

Puede enfocar hasta unos 20 nanómetros, o 20 milmillonésimas de metro, mientras opera por debajo de las temperaturas del helio líquido y en fuertes campos magnéticos de Tesla. Eso es lo suficientemente pequeño como para obtener una lectura de las propiedades superconductoras de los materiales en esos entornos extremos.

Los superconductores son materiales que conducen la electricidad (electrones) sin resistencia ni calor, normalmente a temperaturas muy frías. Los materiales superconductores tienen muchos usos, incluidas aplicaciones médicas como resonancias magnéticas y pistas magnéticas para partículas subatómicas cargadas que se aceleran alrededor de aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones.

Ahora, los materiales superconductores se están considerando para la computación cuántica, la generación emergente de potencia informática basada en la mecánica y las energías a escala atómica y subatómica del mundo cuántico. Los bits cuánticos superconductores, o qubits, están en el corazón de la nueva tecnología. Una estrategia para controlar los flujos de supercorriente en qubits es usar fuertes pulsos de ondas de luz.

“La tecnología superconductora es un objetivo importante para la computación cuántica”, dijo Wang. “Entonces, debemos comprender y caracterizar la superconductividad y cómo la luz la controla”.

Y eso es lo que hace el instrumento cm-SNOM. Como se describe en un artículo de investigación recién publicado por la revista Nature Physics y un artículo preliminar publicado en el sitio web arXiv (ver recuadros laterales), Wang y un equipo de investigadores están tomando las primeras mediciones medias de conjunto del flujo de supercorriente en superconductores a base de hierro de terahercios. (trillones de ondas por segundo) escalas de energía y la primera acción de cm-SNOM para detectar túneles de supercorriente de terahercios en un superconductor de cuprato de alta temperatura a base de cobre.

“Esta es una nueva forma de medir la respuesta de la superconductividad bajo pulsos de ondas de luz”, dijo Wang. “Estamos utilizando nuestras herramientas para ofrecer una nueva visión de este estado cuántico a nanoescala durante los ciclos de terahercios”.

Ilias Perakis, profesor y catedrático de física en la Universidad de Alabama en Birmingham, colaborador de este proyecto que desarrolló la comprensión teórica de la superconductividad controlada por luz, dijo: “Al analizar nuevos conjuntos de datos experimentales, podemos desarrollar métodos de tomografía avanzados para observar estados entrelazados cuánticos en superconductores controlados por luz.

El artículo de los investigadores informa que “las interacciones capaces de impulsar ‘estas supercorrientes’ aún no se comprenden bien, en parte debido a la falta de mediciones”.

Ahora que estas mediciones se están produciendo a nivel de conjunto, Wang prevé los siguientes pasos para medir la existencia de supercorrientes utilizando cm-SNOM en escalas simultáneas de nanómetros y terahercios. Con el apoyo del Centro de Sistemas y Materiales Cuánticos Superconductores administrado por el Laboratorio Nacional Acelerador Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. en Illinois, su grupo está buscando formas de hacer que el nuevo instrumento sea aún más preciso. ¿Podrían las mediciones llegar hasta la precisión de visualizar túneles de supercorriente en uniones individuales de Josephson, el movimiento de electrones a través de una barrera que separa dos superconductores?

“Realmente necesitamos estar a la altura de este nivel para tener un impacto en la optimización de qubits para computadoras cuánticas”, dijo. “Es un gran objetivo. Y ahora es solo un pequeño paso en esa dirección. Es un paso a la vez.

– 30 –

Leer los periódicos

“Tomografía de coherencia cuántica de superconductividad controlada por luz”, Nature Physics, 5 de diciembre de 2022

“Microscopio óptico de campo cercano de magneto-terahercios de barrido criogénico (cm-SNOM)”, arXiv, 13 de octubre de 2022

Los buscadores

Autor correspondiente: jiang wangUniversidad Estatal de Iowa y Laboratorio Nacional Ames

Primeros autores: liang luoLaboratorio Nacional Ames y del Estado de Iowa; Martín Mootzdel Laboratorio Nacional Ames y del Estado de Iowa, anteriormente en la Universidad de Alabama en Birmingham; Jong Hoon Kanganteriormente de la Universidad de Wisconsin-Madison, ahora en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang en Corea del Sur

Coautores: ChuankunhuangLaboratorio Nacional Ames y del Estado de Iowa; Chirag Vaswanianteriormente del Estado de Iowa y del Laboratorio Nacional Ames, ahora en la Universidad de Cornell en Nueva York; Ki Tae EomWisconsin; Jung Woo LeeWisconsin; pantimedias yesusa; Universidad Estatal de Florida; Eric HellströmEstado de Florida; Ilias Perakis, Alabama a Birmingham; y Chang-beom EomWisconsin

Operación cm-SNOM: Richard HJ Kim, Parque Joong-Mok, Samuel J. Haeuser, Liang Luo y Jigang Wang, Laboratorio Nacional Ames y del Estado de Iowa

—

Acerca de la Fundación WM Keck

La Fundación WM Keck fue establecida en 1954 en Los Ángeles por William Myron Keck, fundador de The Superior Oil Company. Una de las organizaciones filantrópicas más grandes del país, la Fundación WM Keck apoya investigaciones científicas, técnicas y médicas sobresalientes. La Fundación también apoya la educación de pregrado y mantiene un programa en el sur de California para apoyar proyectos de arte y cultura, educación, salud y servicio comunitario.