AMES, Iowa — Jigang Wang hizo un recorrido rápido por un nuevo tipo de microscopio que podría ayudar a los investigadores a comprender y eventualmente desarrollar el funcionamiento interno de la computación cuántica.
Wang, profesor de física y astronomía en 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, cuatro millonésimas de un segundo y una billonésima de segundo. de ondas electromagnéticas por segundo.
Wang señaló y explicó los sistemas de control, la fuente de láser y el laberinto de espejos que hacen un camino óptico que pulsa la luz a billones de ciclos por segundo, los imanes superconductores que rodean el espacio de muestra, el microscopio de fuerza atómica hecho a la medida y El microscopio de fuerza atómica. Un criostato de color amarillo brillante reduce la temperatura de la muestra a la del helio líquido, aproximadamente -450 grados Fahrenheit.
Wang llama al dispositivo un microscopio óptico de campo cercano magnético criogénico de terahercios. (Eso es cm-SNOM para abreviar). Está alojado en la Instalación de Instrumentos Sensibles del Laboratorio Nacional Ames al noroeste del campus de la Universidad Estatal de Iowa.
El dispositivo tardó cinco años y $ 2 millones en construirse: $ 1.3 millones de la Fundación WM Keck en Los Ángeles y $ 700,000 del Estado de Iowa y el Laboratorio Nacional Ames. He estado recopilando datos y contribuyendo a los ensayos durante menos de un año.
«Nadie lo tiene», dijo Wang sobre el nanoscopio a gran escala. «Es el primero en el mundo».
Puede enfocarse hasta unos 20 nanómetros, o 20 mil millonésimas de metro, mientras opera bajo temperaturas de helio líquido y en poderosos campos magnéticos de Tesla. Esto es lo suficientemente pequeño como para obtener una lectura de las propiedades superconductoras del material en estos entornos hostiles.
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 aceleradores en órbita de partículas subatómicas cargadas, 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 atómicas y subatómicas del mundo cuántico. Los bits cuánticos superconductores, o qubits, son el núcleo de la nueva tecnología. Una estrategia para controlar los flujos de ultracorriente en qubits es usar fuertes pulsos de ondas de luz.
«La tecnología superconductora es un foco importante de la computación cuántica», dijo Wang. «Por lo tanto, necesitamos comprender y describir la superconductividad y cómo la luz la controla».
Esto es lo que hace cm-SNOM. Como se describe en un artículo recién publicado en Nature Physics y en un artículo preliminar publicado en el sitio web de arXiv (ver barra lateral), Wang y un equipo de investigadores tomaron las primeras medidas promedio establecidas de flujo de supercorriente en superconductores a base de hierro a terahercios (billonésimas de En el segundo, métricas de energía y el primer movimiento CM-SNOM para detectar túneles de terahercios de ultracorriente en un superconductor de alta temperatura basado en cobre.
«Este es un nuevo método para medir la respuesta de la superconductividad bajo pulsos de ondas ópticas», dijo Wang. «Estamos utilizando nuestras herramientas para proporcionar una nueva visión de este estado cuántico a escalas de longitud nanométrica a través de ciclos de terahercios».
«Al analizar nuevos conjuntos de datos experimentales, podemos desarrollar métodos de tomografía avanzados para observar estados de entrelazamiento cuántico en superconductores controlados por la luz.
El artículo de los investigadores señala que «las interacciones capaces de impulsar ‘estas supercorrientes’ siguen sin comprenderse bien, en parte debido a la falta de mediciones».
Ahora que estas mediciones se han realizado a nivel de conjunto, Wang espera con interés los próximos pasos para medir la superexistencia utilizando la escala cm-SNOM en escalas sincronizadas 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. ¿Pueden las mediciones ser tan precisas como la visualización de túneles de supercorriente en uniones Josephson individuales, que es el movimiento de electrones a través de una barrera que separa dos superconductores?
“Realmente necesitamos escalar a este nivel para afectar la mejora de los qubits para las computadoras cuánticas”, dijo. «Este es un gran objetivo. Y este es solo un pequeño paso en esa dirección. Es un paso a la vez».
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Lee el papel
«Tomografía de coherencia cuántica de superconductividad controlada por luz», Nature Physics, 5 de diciembre de 2022
“Microscopio de magneto-terahercios de barrido de campo cercano (cm-SNOM), arXiv, 13 de octubre de 2022
Investigadores
Autor para correspondencia: Jigang Wang, Universidad Estatal de Iowa y Laboratorio Nacional Ames
Primeros autores: Liang Lu, Iowa State and Ames National Laboratory; Martin Mutz, del Estado de Iowa y del Laboratorio Nacional Ames, antes de la Universidad de Alabama en Birmingham; Jung Hoon Kang, anteriormente de la Universidad de Wisconsin-Madison, y actualmente trabaja en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang en Corea del Sur.
Coautores: Chuankun Huang, Estado de Iowa y Laboratorio Nacional Ames; Chirag Vaswani, anteriormente de Iowa and Ames National Laboratory, ahora en la Universidad de Cornell en Nueva York; Ki Tae Eum, Wisconsin; Jung-woo Lee, Wisconsin; Universidad Estatal Jesusa-Collants de Florida; Eric Hellstrom, Estado de Florida; Elias Behrakis, Alabama en Birmingham; y Changbeum-eum, Wisconsin
Proceso cm-SNOM: Richard HJ Kim, Joong-Mok Park, Samuel J. Haeuser, Liang Luo, Jigang Wang, Iowa State y Ames National Laboratory
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Acerca de la Fundación WM Keck
W.M. Keck Corporation fue fundada en 1954 en Los Ángeles por William Myron Keck, fundador de Superior Oil Company. Una de las organizaciones filantrópicas más grandes del país, la Fundación W.M. Keck apoya investigaciones científicas, médicas y de ingeniería 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.
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