Nuevo instrumento mide el flujo de supercorriente, los datos tienen aplicaciones en computación cuántica • Servicio de noticias • Universidad Estatal de Iowa

Publicado el 2 de diciembre de 2022 a las 12:00 am

Jigang Wang con su microscopio óptico de campo cercano de barrido Magneto-Terahertz criogénico. (Eso es cm-SNOM para abreviar). El instrumento funciona en escalas extremas de espacio, tiempo y energía. Su desempeño es un paso hacia la optimización de los bits cuánticos superconductores que estarán en el corazón de la computación cuántica. Foto más grande. Fotos de Christopher Gannon/Universidad Estatal de Iowa.

AMES, Iowa – Jigang Wang ofreció un recorrido rápido por un nuevo tipo de microscopio que puede ayudar a los investigadores a comprender y, en última instancia, a desarrollar el funcionamiento interno de la computación cuántica.

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

Wang señaló y explicó los sistemas de control, la fuente de láser, el laberinto de espejos que forman un camino óptico para la luz pulsante a billones de ciclos por segundo, el imán superconductor que rodea el espacio de muestra, el microscopio de fuerza atómica hecho a la medida, el criostato de color amarillo brillante que reduce la temperatura de la muestra hasta la temperatura del helio líquido, aproximadamente -450 grados Fahrenheit.

Un laberinto de espejos crea una vía óptica.

Wang llama al instrumento un microscopio óptico de campo cercano de barrido Magneto-Terahertz criogénico. (Eso 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, $ 1,3 millones de la Fundación WM Keck de Los Ángeles (ver más abajo) y $ 700,000 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 mil millonésimas 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 estos entornos extremos.

Los superconductores son materiales que conducen electricidad – electrones – sin resistencia ni calor, generalmente a temperaturas muy frías. Los materiales superconductores tienen muchos usos, incluidas aplicaciones médicas como resonancias magnéticas y como pistas de carreras magnéticas para las partículas subatómicas cargadas que se mueven a gran velocidad alrededor de aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones.

Ahora se están considerando materiales superconductores para la computación cuántica, la generación emergente de poder de cómputo que se basa en la mecánica y las energías en las escalas atómica y subatómica del mundo cuántico. Los bits cuánticos superconductores, o qubits, son 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 enfoque importante para la computación cuántica", dijo Wang. "Entonces, necesitamos comprender y caracterizar la superconductividad y cómo se controla con la luz".

Y eso es lo que está haciendo 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), Wang y un equipo de investigadores están tomando las primeras mediciones promedio de conjunto del flujo de supercorriente en superconductores a base de hierro a terahercios. (billones 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 a base de cobre de alta temperatura.

"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 en escalas de longitud nanométrica durante ciclos de terahercios".

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

El artículo de los investigadores informa que "las interacciones capaces de impulsar" estas supercorrientes "aún no se conocen bien, en parte debido a la falta de mediciones".

Ahora que esas mediciones se están realizando a nivel de conjunto, Wang está mirando hacia los próximos pasos para medir la existencia de supercorriente utilizando cm-SNOM en escalas simultáneas de nanómetros y terahercios. Con el apoyo del Centro de Sistemas y Materiales Cuánticos Superconductores dirigido 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 a 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 medir hasta ese nivel para impactar la optimización de qubits para computadoras cuánticas", dijo. "Ese es un gran objetivo. Y esto ahora es solo un pequeño paso en esa dirección. Es un paso a la vez".

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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, de ingeniería y médicas sobresalientes. La Fundación también apoya la educación de pregrado y mantiene un programa dentro del sur de California para apoyar proyectos de arte y cultura, educación, salud y servicio comunitario.

Jigang Wang, Física y Astronomía, Laboratorio Nacional Ames, 515-294-5630, [email protected]

Mike Krapfl, servicio de noticias, 515-294-4917, [email protected]

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El nanoscopio de escala extrema de Jigang Wang está comenzando a recopilar datos sobre cómo los pulsos de luz a billones de ciclos por segundo pueden controlar las supercorrientes en los materiales. El instrumento algún día podría ayudar a optimizar los bits cuánticos superconductores, que están en el corazón de la computación cuántica, una tecnología nueva y en desarrollo.

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

"Microscopio óptico de campo cercano de barrido Magneto-Terahertz criogénico (cm-SNOM)", arXiv, 13 de octubre de 2022

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Autor correspondiente:jiang wang, Universidad Estatal de Iowa y Laboratorio Nacional Ames

Primeros autores:liang luo, Estado de Iowa y Laboratorio Nacional Ames;Martin Moots, del Laboratorio Nacional Ames y del Estado de Iowa, anteriormente en la Universidad de Alabama en Birmingham;Jong Hoon Kang, anteriormente de la Universidad de Wisconsin-Madison, ahora en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang en Corea del Sur

Coautores:Chuankunhuang, Estado de Iowa y Laboratorio Nacional Ames;Chirag Vaswani, anteriormente del Estado de Iowa y del Laboratorio Nacional Ames, ahora en la Universidad de Cornell en Nueva York;Ki Tae Eom, Wisconsin;Jung Woo Lee, Wisconsin;Yesusa Collantes ; Universidad Estatal de Florida;Eric Hellström, Estado de Florida;Ilias Perakis , Alabama en Birmingham; yChang-beom Eom, wisconsin

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Jigang Wang, a la izquierda, con su equipo, Richard HJ Kim, Samuel Haeuser y Joong-Mok Park, en su laboratorio en la instalación de instrumentos sensibles del Laboratorio Nacional Ames. Foto más grande.

Operación cm-SNOM:Richard HJ Kim,Parque Joong Mok,Samuel J. Haeuser,liang luoyjiang wang, Estado de Iowa y Laboratorio Nacional Ames