Novo instrumento mede fluxo de supercorrente, dados têm aplicações em computação quântica • News Service • Iowa State University

Postado em 2 de dezembro de 2022 às 12h

Jigang Wang com seu Microscópio Óptico de Campo Próximo de Varredura Magneto-Terahertz Criogênico. (Abreviação de cm-SNOM.) O instrumento funciona em escalas extremas de espaço, tempo e energia. Seu desempenho é um passo para otimizar os bits quânticos supercondutores que estarão no centro da computação quântica. Foto maior. Fotos por Christopher Gannon/Iowa State University.

AMES, Iowa – Jigang Wang ofereceu uma rápida apresentação de um novo tipo de microscópio que pode ajudar os pesquisadores a entender e, finalmente, desenvolver o funcionamento interno da computação quântica.

Wang, um professor de física e astronomia da Iowa State University que também é afiliado ao Laboratório Nacional Ames do Departamento de Energia dos EUA, descreveu como o instrumento funciona em escalas extremas de espaço, tempo e energia – bilionésimos de metro, quadrilionésimos de segundo e trilhões de ondas eletromagnéticas por segundo.

Wang apontou e explicou os sistemas de controle, a fonte de laser, o labirinto de espelhos que fazem um caminho óptico para a luz pulsando em trilhões de ciclos por segundo, o ímã supercondutor que envolve o espaço amostral, o microscópio de força atômica feito sob medida, o criostato amarelo brilhante que reduz as temperaturas da amostra até a temperatura do hélio líquido, cerca de -450 graus Fahrenheit.

Um labirinto de espelhos cria um caminho óptico.

Wang chama o instrumento de Microscópio Óptico de Campo Próximo de Varredura Magneto-Terahertz Criogênico. (Isso é cm-SNOM para abreviar.) Ele está localizado na Instalação de Instrumentos Sensíveis do Laboratório Nacional de Ames, a noroeste do campus do estado de Iowa.

Foram necessários cinco anos e US$ 2 milhões – US$ 1,3 milhão da WM Keck Foundation de Los Angeles (veja abaixo) e US$ 700.000 do Iowa State e do Ames National Laboratory – para construir o instrumento. Ele vem coletando dados e contribuindo com experimentos há menos de um ano.

"Ninguém o tem", disse Wang sobre o nanoscópio de escala extrema. "É o primeiro do mundo."

Ele pode se concentrar em cerca de 20 nanômetros, ou 20 bilionésimos de metro, enquanto opera abaixo das temperaturas de hélio líquido e em fortes campos magnéticos de Tesla. Isso é pequeno o suficiente para obter uma leitura das propriedades supercondutoras dos materiais nesses ambientes extremos.

Supercondutores são materiais que conduzem eletricidade – elétrons – sem resistência ou calor, geralmente em temperaturas muito frias. Os materiais supercondutores têm muitos usos, incluindo aplicações médicas, como exames de ressonância magnética e como pistas magnéticas para as partículas subatômicas carregadas que aceleram em torno de aceleradores como o Grande Colisor de Hádrons.

Agora, os materiais supercondutores estão sendo considerados para a computação quântica, a geração emergente de poder de computação baseada na mecânica e nas energias nas escalas atômica e subatômica do mundo quântico. Bits quânticos supercondutores, ou qubits, são o coração da nova tecnologia. Uma estratégia para controlar os fluxos de supercorrentes em qubits é usar fortes pulsos de ondas de luz.

“A tecnologia supercondutora é um foco importante para a computação quântica”, disse Wang. “Portanto, precisamos entender e caracterizar a supercondutividade e como ela é controlada pela luz”.

E é isso que o instrumento cm-SNOM está fazendo. Conforme descrito em um trabalho de pesquisa recém-publicado pela revista Nature Physics e um artigo de pré-impressão publicado no site arXiv (veja as barras laterais), Wang e uma equipe de pesquisadores estão fazendo as primeiras medições médias de conjunto de fluxo de supercorrente em supercondutores à base de ferro em terahertz (trilhões de ondas por segundo) escalas de energia e a primeira ação cm-SNOM para detectar tunelamento de supercorrente terahertz em um supercondutor de cuprato à base de cobre de alta temperatura.

"Esta é uma nova maneira de medir a resposta da supercondutividade sob pulsos de ondas de luz", disse Wang. “Estamos usando nossas ferramentas para oferecer uma nova visão desse estado quântico em escalas de nanômetros durante ciclos de terahertz”.

Ilias Perakis, professor e presidente de física na Universidade do Alabama em Birmingham, um colaborador deste projeto que desenvolveu a compreensão teórica da supercondutividade controlada por luz, disse: "Ao analisar os novos conjuntos de dados experimentais, podemos desenvolver métodos avançados de tomografia para observando estados quânticos emaranhados em supercondutores controlados pela luz."