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Superconductores tipo P materiales topológicos
Ep501: Asteroide; Computación Cuántica; Agujero Negro; Nubes Interestelares
27 de febrero de 20257 momentos
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Francis Villatoro explica cómo los superconductores tipo P pueden comportarse como materiales topológicos y describe el modelo de juguete propuesto por Kitáev en 2001 para entender este fenómeno.
…tiene ningún problema. Puedes ver los cambios en las versiones, cómo ha ido evolucionando. Es que se ha rebajado muchísimo el tono y ya el artículo definitivo tiene su componente de hype, pero bueno, bastante... Así que quizás lo que tenemos que empezar es a Contar un poquito de qué va esta tecnología, cuál es la idea de este tipo de tecnología, cuál es el estado actual y después ver un poquito qué es lo que realmente han hecho estos señores. La idea original viene de un gran físico que acabará recibiendo el premio Nobel que se llama Kitáez, que construyó un modelo de juguete, un modelo muy sencillito, de una cadena de fermiones y en esa cadena de fermiones asumió que eran estados de un superconductor de tipo P. Los superconductores, los electrones se aparean; se llaman pares de Cooper, y como los electrones tienen spin, pues digamos, entre comillas, el spin para arriba, el spin para abajo, en la pareja de un par de Cooper, uno puede tener spin para arriba y el otro spin para abajo. Entonces, el estado, el par de Cooper se comporta como un bosón de spin cero; eso se llama un superconductor de tipo S. Esos son los superconductores originales: el aluminio que es un superconductor de tipo S, el mercurio, muchos materiales son superconductores de tipo S, pero también existen superconductores de tipo P. Los superconductores de tipo P en los pares de Cooper hay pares de Cooper de tres tipos: parece Cooper con los dos spins hacia arriba, con los dos spins hacia abajo y con un spin arriba y otro abajo. Es decir, es un estado de spin 1 que tiene tres estados: 1, 0 y menos 1. Entonces, este tipo de superconductores de tipo P, bajo ciertas circunstancias, se comportan como materiales topológicos; es decir, como un superconductor topológico. Y entonces lo que nos planteó Kitáev en el año 2001 es un modelo de juguete, pero de juguete unidimensional, de una cadena de fermiones en este tipo de material y lo que se observa en este modelo es que aparecen bajo ciertas circunstancias, cuando por supuesto baja mucho la temperatura, llega un momento en que hay una transición de fase a un estado en el que aparecen dos estados. Localizados en los extremos de esta cadena, es decir, en el primer fermión de la cadena y el último fermión de la cadena, aparecen dos estados que están exponencialmente decayentes. Son como los estados evanescentes en óptica. Esto lo hemos visto, yo qué sé,…
Significado #1 · Palabras #1
Francis Villatoro explica cómo los superconductores tipo P pueden comportarse como materiales topológicos y describe el modelo de juguete propuesto por Kitáev en 2001 para entender este fenómeno.
Habla: Francis VillatoroSignificado #1 · Palabras #1idea original kitáez superconductores tipo pcadena de fermiones modelo juguete kitáezpremio nobel físico kitáezpares cooper en superconductores tipo sbosón de spin cero superconductor saluminio superconductor tipo spares cooper con spin arriba abajoestado de spin 1 superconductor psuperconductores tipo p materiales topológicosmodelo kitáev fermiones superconductor topológicotransición de fase estados superconductores…tiene ningún problema. Puedes ver los cambios en las versiones, cómo ha ido evolucionando. Es que se ha rebajado muchísimo el tono y ya el artículo definitivo tiene su componente de hype, pero bueno, bastante... Así que quizás lo que tenemos que empezar es a Contar un poquito de qué va esta tecnología, cuál es la idea de este tipo de tecnología, cuál es el estado actual y después ver un poquito qué es lo que realmente han hecho estos señores. La idea original viene de un gran físico que acabará recibiendo el premio Nobel que se llama Kitáez, que construyó un modelo de juguete, un modelo muy sencillito, de una cadena de fermiones y en esa cadena de fermiones asumió que eran estados de un superconductor de tipo P. Los superconductores, los electrones se aparean; se llaman pares de Cooper, y como los electrones tienen spin, pues digamos, entre comillas, el spin para arriba, el spin para abajo, en la pareja de un par de Cooper, uno puede tener spin para arriba y el otro spin para abajo. Entonces, el estado, el par de Cooper se comporta como un bosón de spin cero; eso se llama un superconductor de tipo S. Esos son los superconductores originales: el aluminio que es un superconductor de tipo S, el mercurio, muchos materiales son superconductores de tipo S, pero también existen superconductores de tipo P. Los superconductores de tipo P en los pares de Cooper hay pares de Cooper de tres tipos: parece Cooper con los dos spins hacia arriba, con los dos spins hacia abajo y con un spin arriba y otro abajo. Es decir, es un estado de spin 1 que tiene tres estados: 1, 0 y menos 1. Entonces, este tipo de superconductores de tipo P, bajo ciertas circunstancias, se comportan como materiales topológicos; es decir, como un superconductor topológico. Y entonces lo que nos planteó Kitáev en el año 2001 es un modelo de juguete, pero de juguete unidimensional, de una cadena de fermiones en este tipo de material y lo que se observa en este modelo es que aparecen bajo ciertas circunstancias, cuando por supuesto baja mucho la temperatura, llega un momento en que hay una transición de fase a un estado en el que aparecen dos estados. Localizados en los extremos de esta cadena, es decir, en el primer fermión de la cadena y el último fermión de la cadena, aparecen dos estados que están exponencialmente decayentes. Son como los estados evanescentes en óptica. Esto lo hemos visto, yo qué sé,…
Francis Villatoro explica que las cuasipartículas de tipo Majorana son estados de masa efectiva cero, y para comprender mejor este fenómeno se debe recurrir a la estructura de bandas de un material superconductor topológico.
Habla: Francis VillatoroSignificado #8 · Palabras #3estados mayorana en superconductores topológicosestructura de bandas de materialespartículas masa cero física partículas…que no tiene nada que ver con las partículas de tipo Majorana. Es decir, no tiene nada que ver ni con los Majoranas como candidato a explicar el neutrino, ni los Majoranas en supersimetría, ni nada por el estilo porque es un estado de masa efectiva cero. ¿Una partícula de masa cero? Eso es una cosa. Desde el punto de vista de la física de partículas no tiene sentido, pero en materiales sí ocurre. Para entender bien ese material, lo suyo es recurrir a la estructura de bandas. Lo que tenemos es un material, un superconductor topológico, en el que tenemos una estructura de bandas. Recordar que la estructura de bandas es los niveles electrónicos en los átomos; cuando tengo muchos átomos todos iguales, pues dos niveles son muy parecidos pero no pueden coincidir, pues se ponen muy cercanos. Entonces yo tengo como bandas, la que tengo, yo…
Francis Villatoro explica cómo la estructura típica de un superconductor se relaciona con la óptica, describiendo la existencia de un salto de banda directo que involucra parábolas cóncavas y convexas.
Habla: Francis VillatoroSignificado #11salto de banda directo superconductorparábola cóncava banda valenciaparábola convexa banda conducciónestructura típica superconductor óptica…suficiente energía para que los estados electrónicos en la banda de valencia puedan saltar a la banda de valencia y un semiconductor es cuando la distancia es pequeña y entonces hay una probabilidad y bajo ciertas circunstancias pues se producen esos saltos. Bien, la estructura típica de un superconductor, sobre todo en temas relacionados con óptica, es lo que se llama un salto de banda directo. Es decir, tengo como una parábola para la banda de Valencia y encima tengo una parábola invertida para la banda de conducción. La parábola de arriba es cóncava y la de abajo es convexa y tengo como dos montañitas, una montañita y un valle arriba y puedo pegar saltos en la zona. Más cercana, en ese ancho de banda ¿Qué pasa en ciertos materiales? En ciertos materiales el nivel de Fermi está justo en la mitad, el máximo de la parábola de abajo está por debajo del nivel de Fermi. El mínimo de la parábola por arriba está por encima del…
Francis Villatoro explica una solución para superar las dificultades del manejo de superconductores de tipo P, proponiendo la creación de un sistema que imita su comportamiento utilizando una cinta de superconductor de tipo S y un hilo aislante o semiconductor.
Habla: Francis VillatoroSignificado #3 · Palabras #2superconductores tipo p difíciles laboratoriodescubrimiento truco superconductor tipo smanipulación estados ligados computación cuánticasuperconductor tipo p y cinta snanómetros hilito aislante semiconductormodelo teórico superconductor topológicofabricación laboratorio 2008microsoft qubits tecnología superconductornanohilo arceniuro indio inasaluminio superconductor grado kelvinestados de mayorana nanohilo…conexión que tienen entre los dos. Eso se puede hacer con operadores cuánticos, básicamente aplicar campos magnéticos y polarizar con campos eléctricos y consigo hacer ese tipo de movimiento de estado. Y esa es la clave, digamos, de la computación cuántica. Claro, esto era todo con un superconductor de tipo P. Los superconductores de tipo P son muy difíciles de manejar en laboratorio, etc. Entonces, unos años más tarde, en 2008, se descubrió que hay un truco. Hay un truco absolutamente fascinante; y es que yo puedo utilizar un superconductor de tipo S. Pero en lugar de convertir en un hilito el superconductor de tipo P Yo puedo poner como una pequeña cinta de superconductor de tipo S y poner encima un hilito de un material que sea aislante, un semiconductor que sea aislante y si este hilito es suficientemente delgado, estamos hablando de pocos nanómetros, la cinta del superconductor abajo puede ser también un poquito más gordita, pueden ser como 60 nanómetros, consigo que, según los modelos teóricos, ese sistema se comporte de manera análoga al superconductor topológico de tipo P. Esto hizo que en 2008 se diera un salto de gigante porque ahora ya sí se podía fabricar fácilmente el laboratorio. Y eso hizo que en 2010 una gran compañía como Microsoft decidiera apostar por esta tecnología para construir qubits. Entonces, la idea es construir un pequeño nanohilo de un material semiconductor, en este caso es arceniuro de indio, InAs, sobre, en este caso es por debajo; cogen el nanohilo de arceniuro de indio y encima le ponen una pequeña cinta, una cosa delgadita, de aluminio. El aluminio es un superconductor, la temperatura crítica es del orden de un grado Kelvin. Todo esto funciona a milikelvins, o sea que a milikelvins no hay ningún tipo de duda de que el aluminio es un superconductor. En teoría, en los extremos de un nanohilo de ese tipo, que es una estructura, digamos, una heterostructura; tienes el hilito muy delgado del semiconductor y encima la pequeña cinta, es un material muy delgadito muy plano, con una pequeña cinta de aluminio. En teoría, en sus extremos aparecerían estados de mayorana. Entonces, eso se instrumentó en laboratorio; se le puso contacto en los extremos; se vio que al poner un contacto en el extremo se destruían estos estados, no aparecían.…
Francis Villatoro continúa explicando los desafíos en la creación de qubits, señalando que tras la observación inicial de señales de Estados de Mayorana, surge una pregunta importante sobre los estados de masa no cero más cercanos, conocidos como estados de Andréf.
Habla: Francis VillatoroPalabras #11estados de mayorana de masa ceroestados de andref no son topológicosnanohilo con superconductor tipo smaterial convencional requiere estados de mayorana…entre el punto cuántico, que es el que voy a utilizar para controlar y para medir ese nanohilo y el estado que se supone que está en el extremito. Al poner esos contactos se observaron las primeras señales aparentemente de estados de mayorana de masa cero. Aquí hay un problema importante. Hemos dicho estados de mayorana de masa cero. ¿Cuáles son los estados de masa no cero más próximos? Eso se llaman estados de Andréf. Los estados de Andréf no son topológicos. La topología, es decir, que este material, que es muy convencional, el nanohilo con el superconductor de tipo S, se comporte de manera topológica, requiere esos estados de masa cero. y claro, un físico como José me dirá, pero vamos A ver, Francis, pero ¿cómo que he estado de masa? Cero, cero no existe en física; nada tiene cero en física, solo a nivel del papel sí, en una hoja en blanco yo puedo escribir con letra negra todos los ceros que yo quiera, pero en física, ¿cómo yo distingo…
Francis Villatoro continúa la discusión sobre estados topológicos, específicamente cubitos topológicos y su comportamiento a temperaturas extremadamente bajas (milikelvin). Menciona un artículo influyente de Microsoft liderado por Das Sarma.
Habla: Francis VillatoroPalabras #19cubitos topológicos milikelvinestados no topológicos tipo andrésartículo microsoft das sarma…ladeada y la sacudí un poco el mate para que se hiciera el huequito por arriba antes de echar el agua. Y tuviste actitudes; es cierto, con eso ganaste un par de puntos. Bueno, me despido. Muchas gracias. Hasta luego, José. Gracias por participar. Bueno, pues Continuamos con los estados topológicos. Seguimos con los cubitos topológicos, Francis. ¿Dónde nos habíamos quedado? Tenemos un ganuelo que tiene, en sus dos extremos, tiene, supuestamente, dos estados topológicos. Eso, pues, enfriado a temperaturas de milikelvin y, supuestamente, hay ciertas señales que indican la presencia de esos estados. El problema es que esas señales en general son difíciles de distinguir de los estados no topológicos de tipo Andrés, con lo que eso ha generado muchas dudas y el artículo más famoso, que fue un artículo de 2018 de gente de Microsoft, liderado por Das Sarma, que era el gran especialista mundial. en el campo, pues fue un artículo que tuvo que ser retirado. se publicó en Nature probablemente por el apoyo de Microsoft y se intentaron replicar los mismos resultados experimentales con la seguridad de que se estaba trabajando con estados de Andreev y se…
Francis Villatoro explica cómo se pueden conectar estados de Majorana utilizando un material superconductor dispuesto en forma de letra 'H' entre dos nanohilos.
Habla: Francis VillatoroSignificado #14 · Palabras #13estados de mayorana conectadosmaterial superconductor forma letra hnanohilos y estados de mayoranabraiding con material superconductor…de Majorana en un nanohilo será observar un comportamiento topológico. Por desgracia eso no es nada trivial, es extremadamente difícil. El comportamiento topológico que esperamos encontrar es lo que se llama el braiding, lo que se llama el trenzado de. los estados Si yo tengo dos nanohilos, en los extremos de un nanohilo tengo dos estados de mayorana conectados, en el otro nanohilo tengo dos estados de mayorana conectados Si yo ahora en mitad de ese nanohilo pongo un material superconductor, el mismo material superconductor que forme, digamos, no dos cintas, sino una letra H Imaginaros una letra H en la que en mitad del nanohilo tengo material superconductor que conecta y los dos palitos del H En los extremos el nanohilo va en los palos largos del H Y tengo los estados de mayorana en los extremos del nanohilo Bien, pues para hacer el braiding lo ¿Qué yo tengo que hacer es un estado de uno de los extremos por situarnos? No vamos a poner el nanohilo en la H, la letra H puesta en horizontal y tengo en el nanohilo de arriba, izquierda, derecha y en el nanohilo de abajo, izquierda, derecha. Entonces el…