Nueva forma de silicio apunta a la computación cuántica

Algunas de las computadoras cuánticas más prometedoras hasta la fecha han involucrado materiales y sistemas exóticos, incluidos materiales superconductores enfriados hasta casi el cero absoluto e iones y átomos flotantes mantenidos en campos eléctricos y trampas láser. Sin embargo, el viejo y conocido silicio sería decididamente más escalable y conveniente si existieran formas confiables de construir qubits y circuitos cuánticos tan fácilmente como los transistores y las puertas lógicas convencionales.

Una nueva forma de silicio llamada Q-silicon podría ser la solución, afirman sus desarrolladores. Los investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, que informaron sobre el material en la revista Materials Research Letters, dicen que tiene propiedades adecuadas no sólo para la computación cuántica sino también para las baterías de iones de litio.

"Para engañar a la Madre Naturaleza hay que superar limitaciones termodinámicas, por lo que hay que hacerlo muy, muy rápido". —Jay Narayan, Universidad Estatal de Carolina del Norte

El silicio suele presentarse en tres formas: cristalino, en el que los átomos tienen una estructura bien ordenada; amorfo, donde los átomos están situados al azar; y policristalino, donde unidades cristalinas más pequeñas se conectan aleatoriamente. En el tipo cristalino, los átomos de silicio están empaquetados como los átomos de carbono en el diamante, con cuatro átomos formando las esquinas de una pirámide.

El silicio Q tiene una disposición aleatoria de esas pirámides parecidas a diamantes que da como resultado átomos más densamente empaquetados y menos espacio libre. Jay Narayan, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en NCSU y sus colegas crearon el silicio Q disparando silicio amorfo con pulsos de nanosegundos de un láser de alta potencia y luego enfriándolo en un quinto de microsegundo.

Esto es lo suficientemente rápido como para que la termodinámica convencional no se haga cargo de reorganizar los átomos en una de las tres formas naturales del silicio. "Para engañar a la Madre Naturaleza hay que superar limitaciones termodinámicas, por lo que hay que hacerlo muy, muy rápido", dice Narayan.

Los investigadores muestran que el silicio Q revela propiedades no vistas en el silicio normal. Por un lado, es ferromagnético a temperatura ambiente. Ferromagnetismo, la propiedad por la cual los materiales se magnetizan cuando se colocan en un campo magnético externo y luego mantienen ese estado magnetizado. El ferromagnetismo suele encontrarse en metales como el hierro y el níquel y surge de las propiedades generales de los átomos en un sólido. Sus dipolos magnéticos pueden alinearse mediante campos externos y luego mantener su lugar una vez que esos campos desaparecen. Pero si se pueden aislar electrones individuales en esos materiales, los espines de esos electrones (que pueden ser a su vez hacia arriba o hacia abajo o combinaciones cuánticas intermedias de los dos) también podrían usarse como un qubit, como un medio para codificar información cuántica.

El número par de electrones en el carbono y el silicio generalmente significa que todas sus cargas existen en pares con espines opuestos, que cancelan los campos magnéticos de cada uno. Por lo tanto, retener y manipular los espines de los electrones individuales en el silicio normalmente no ha sido una opción para los ingenieros y científicos de materiales. El ferromagnetismo requiere electrones individuales o espines desapareados, dice Narayan. Sin embargo, "con la rápida fusión y enfriamiento podemos crear espines no apareados que son ferromagnéticos", dice. "La idea es que si el silicio puede tener un espín no apareado, entonces se puede almacenar información en ese espín".

Aprovechar el espín es un desafío y se ha intentado leer los estados de espín de los átomos de fósforo implantados en el silicio como un camino hacia las computadoras cuánticas. Narayan dice que el silicio Q podría simplificar el aprovechamiento del espín de los átomos de silicio. "Ahora se pueden crear ordenadores cuánticos y todo tipo de aplicaciones interesantes", afirma, "porque el silicio Q es ferromagnético a temperatura ambiente".

Además, cuando se dopa con átomos de boro, los investigadores informan que el silicio Q se vuelve superconductor. Los superconductores conocidos normalmente muestran sus poderes superconductores sólo a temperaturas muy bajas, de ahí el escepticismo que enfrenta cualquier informe sobre superconductores a temperatura ambiente.

Los superconductores de mayor temperatura a presión ambiente conocidos hasta la fecha se vuelven superconductores por debajo de 130 kelvin. Narayan y sus colegas dicen que el silicio Q dopado con boro pasa a ser superconductor a 174 K.

Los investigadores planean hacer demostraciones de ordenadores cuánticos basados ​​en silicio Q en un futuro próximo, afirma Narayan. Pero también buscan desarrollar el potencial del material para aplicaciones de baterías. "Vamos a crear baterías de iones de litio y sodio de alta potencia y eficiencia", afirma.

Para usar Q-silicio en baterías, Narayan dice que combinarán Q-silicio con otro material relacionado, llamado Q-carbono, que descubrieron en 2015. Ambos materiales, dicen los investigadores, absorben más iones de litio que los basados ​​en grafito. ánodos utilizados en las baterías actuales. El grafito, afirma, tiene una capacidad de almacenamiento de corriente de 200 miliamperios por gramo. Por el contrario, afirma, el Q-carbon tiene una capacidad de 500 mA/g. Mientras tanto, afirma, el silicio Q cuenta con 1.000 mA/g. "Combínelos y obtendrá el mejor ánodo para baterías de iones de litio", afirma.

Los investigadores se han asociado con la empresa alemana Koening Systems para lanzar una startup llamada Q-Power Battery.