Un sistema modelo de superconductividad topológica mediada por magnones skyrmiónicos

Los superconductores topológicos son materiales superconductores con características únicas, incluida la aparición de los llamados estados de Majorana en brecha. Estos estados enlazados pueden servir como qubits, lo que hace que los superconductores topológicos sean particularmente prometedores para la creación de tecnologías de computación cuántica.

Algunos físicos han estado explorando recientemente el potencial para crear sistemas cuánticos que integren superconductores con configuraciones giratorias de dipolos magnéticos atómicos (espines), conocidos como cristales skyrmion cuánticos. La mayoría de estos esfuerzos sugirieron intercalar cristales de skyrmion cuánticos entre superconductores para lograr una superconductividad topológica.

Kristian Mæland y Asle Sudbø, dos investigadores de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, propusieron recientemente un sistema modelo alternativo de superconductividad topológica, que no contiene materiales superconductores. Este modelo teórico, introducido en Cartas de revisión físicaen su lugar, utilizaría una estructura de sándwich de un metal pesado, un aislante magnético y un metal normal, donde el metal pesado induce un cristal de skyrmion cuántico en el aislante magnético.

«Hemos estado interesados ​​en nuevos tipos de sistemas de espín cuántico de baja dimensión durante mucho tiempo y estábamos investigando la cuestión de cómo las fluctuaciones de espín cuántico en los cristales de skyrmion cuántico podrían afectar los estados metálicos normales y posiblemente conducir a una superconductividad de un tipo inusual. Sudbø le dijo a Phys.org.

«El trabajo anterior que en particular nos ha inspirado y sobre el que hemos estado construyendo, es el trabajo experimental de Heinze et al sobre realizaciones de cristales de skyrmion cuánticos, y dos de nuestros propios artículos sobre cristales de skyrmion cuánticos».

En un artículo publicado en 2011, Stefan Heinze de la Universidad de Kiel y sus colegas de la Universidad de Hamburgo demostraron que los cristales de skyrmion se pueden realizar en sistemas físicos reales. Inspirándose en el trabajo anterior de este equipo de investigación, Sudbø y Mæland hicieron una serie de predicciones, que sirven como base para su nuevo sistema modelo de superconductividad topológica propuesto.

«Nosotros mismos no hemos hecho estos sistemas experimentalmente, pero estamos sugiriendo materiales que podrían usarse para crear tales sistemas y estudiar sus propiedades», dijo Sudbø. «Estudiamos específicamente una nueva forma de crear superconductividad topológica intercalando un metal normal con un sistema de espín muy específico donde los espines forman skyrmions en un patrón repetido, un cristal de skyrmion. Las propuestas anteriores para crear superconductividad topológica sugerían intercalar cristales de skyrmion con superconductores. El enfoque obvia la necesidad de un superconductor en el sándwich».

Si bien no se dieron cuenta experimentalmente de su sistema modelo propuesto, Sudbø y Mæland intentaron determinar sus propiedades a través de una serie de cálculos. Específicamente, calcularon una propiedad del estado superconductor inducido del sistema, el llamado parámetro de orden superconductor, y encontraron que tenía una topología no trivial.

«Pudimos crear un sistema modelo en el que podemos producir superconductividad topológica en una heteroestructura sin tener un superconductor a priori en el sándwich», dijo Sudbø. «Nuestro sistema es una estructura de sándwich de un metal normal y un aislante magnético, mientras que las propuestas anteriores involucraban una estructura de sándwich de aislantes magnéticos y otros superconductores».

En el futuro, nuevos estudios podrían intentar realizar el sistema modelo propuesto por estos investigadores en un entorno experimental, examinando más a fondo sus propiedades y potencial para aplicaciones de computación cuántica. Mientras tanto, Sudbø y Mæland planean explorar teóricamente otras rutas posibles para lograr una superconductividad no convencional.

«En términos generales, buscaremos la superconductividad no convencional y las rutas hacia la superconductividad topológica en heteroestructuras que involucren aislantes magnéticos con estados fundamentales inusuales y no convencionales, así como nuevos tipos de excitaciones de espín fuera del estado fundamental», dijo Sudbø.

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