Modelo cuántico fundamental recreado a partir de nanografenos
Un paso más cerca de las tecnologías cuánticas
Las tecnologías cuánticas explotan las inusuales propiedades de los componentes más fundamentales de la materia. Prometen grandes avances en comunicación, computación, sensores y mucho más. Sin embargo, los estados cuánticos son frágiles y sus efectos difíciles de comprender, lo que dificulta la investigación de aplicaciones en el mundo real. Los investigadores del Empa y sus socios han logrado un gran avance: Utilizando una especie de "Lego cuántico", han sido capaces de realizar con precisión un conocido modelo teórico de física cuántica en un material sintético.
Con la máxima precisión: Utilizando moléculas especiales de nanografeno, los investigadores pudieron realizar un modelo teórico de la física cuántica.
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Izquierda: imagen de microscopía de efecto túnel de alta resolución del cáliz de Clar. Derecha: Modelo estructural del cáliz de Clar (azul: spin up, rojo: spin down).
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Una imagen de microscopía de barrido en túnel muestra la cadena de espín formada por Cálices de Clar individuales.
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La unidad más pequeña de información en un ordenador es el bit: encendido o apagado, 1 o 0. Hoy en día, toda la potencia informática del mundo se basa en la combinación e interconexión de innumerables unos y ceros. Los ordenadores cuánticos tienen su propia versión del bit: el qubit. También tiene dos estados básicos. La principal diferencia: Los efectos cuánticos permiten una superposición de los dos estados, de modo que el qubit no es 1 o 0, sino ambos a la vez. Con diferentes proporciones de 0 y 1, el qubit puede asumir teóricamente un número infinito de estados.
Esta ambigüedad debería dotar a los ordenadores cuánticos de verdaderos "superpoderes". Al menos en teoría, los ordenadores cuánticos pueden realizar cálculos en fracciones de segundo que dejan perplejos a los mejores superordenadores actuales. Sin embargo, la informática cuántica aún no está totalmente desarrollada. Uno de los mayores retos es enlazar los qubits, ya que un solo (qu)bit no es un gran ordenador.
Una forma de realizar el 0 y el 1 del qubit es mediante la alineación del llamado espín del electrón. El espín es una propiedad mecánica cuántica fundamental de los electrones y otras partículas, una especie de par que, en pocas palabras, puede apuntar "hacia arriba" (1) o "hacia abajo" (0). Cuando dos o más espines están ligados por la mecánica cuántica, se influyen mutuamente en sus estados: Si cambia la orientación de uno, también cambiará la de los demás. Por tanto, es una buena forma de hacer que los qubits "hablen" entre sí. Sin embargo, como ocurre con muchas otras cosas en física cuántica, este "lenguaje", es decir, la interacción entre los espines, es enormemente complejo. Aunque puede describirse matemáticamente, las ecuaciones correspondientes apenas pueden resolverse con exactitud, ni siquiera para cadenas relativamente sencillas de unos pocos espines. No son precisamente las mejores condiciones para llevar la teoría a la práctica...
Un modelo se hace realidad
Los investigadores del laboratorio nanotech@surfaces de Empa han desarrollado ahora un método que permite que muchos espines "hablen" entre sí de forma controlada, y que también permite a los investigadores "escucharlos", es decir, comprender sus interacciones. Junto con científicos del Laboratorio Ibérico Internacional de Nanotecnología y de la Universidad Técnica de Dresde, lograron crear con precisión una cadena arquetípica de espines de electrones y medir sus propiedades al detalle. Sus resultados se publican ahora en la prestigiosa revista Nature Nanotechnology.
La teoría en la que se basa la cadena es conocida por todos los estudiantes de física: Tomemos una cadena lineal de espines en la que cada espín interactúa fuertemente con uno de sus vecinos y débilmente con el otro. Este modelo unidimensional alternante de Heisenberg fue descrito hace casi 100 años por el físico Werner Heisenberg, posteriormente galardonado con el Premio Nobel y uno de los fundadores de la mecánica cuántica. Aunque hay materiales en la naturaleza que contienen este tipo de cadenas de espín, aún no ha sido posible incorporarlas deliberadamente a un material. "Los materiales reales son siempre mucho más complejos que un modelo teórico", explica Roman Fasel, jefe del laboratorio nanotech@surfaces de Empa y coautor del estudio.
Una "copa" de carbono
Para crear este material cuántico artificial, los investigadores del Empa utilizaron diminutos trozos del material bidimensional de carbono grafeno. La forma de estas moléculas de nanografeno influye en sus propiedades físicas, en particular en su espín, una especie de ladrillo de Lego cuántico de tamaño nanométrico a partir del cual los científicos pueden ensamblar cadenas más largas.
Para su modelo de Heisenberg, los investigadores utilizaron la llamada molécula de cáliz de Clar. Esta molécula especial de nanografeno está formada por once anillos de carbono dispuestos en forma de reloj de arena. Debido a esta forma, hay un electrón no apareado en cada extremo, cada uno con un espín asociado. Aunque el químico Erich Clar ya lo predijo en 1972, la copa de Clar no fue producida hasta 2019 por el equipo de Fasel en el laboratorio nanotech@surfaces.
Ahora, los investigadores han unido las copas en una superficie de oro para formar cadenas. Los dos espines dentro de una molécula están débilmente unidos, mientras que los espines de molécula a molécula están fuertemente unidos - una realización perfecta de la cadena alternante de Heisenberg. Los investigadores pudieron manipular con precisión la longitud de las cadenas, encender y apagar espines individuales de forma selectiva y "voltearlos" de un estado a otro, lo que les permitió investigar con gran detalle la compleja física de este novedoso material cuántico.
De la teoría a la práctica
Fasel está convencido de que, al igual que la síntesis del Cáliz de Clar permitió la producción de cadenas de Heisenberg, este estudio abrirá a su vez nuevas puertas en la investigación cuántica. "Hemos demostrado que los modelos teóricos de la física cuántica pueden realizarse con nanografenos para comprobar experimentalmente sus predicciones", afirma el investigador. "Los nanografenos con otras configuraciones de espín pueden unirse para formar otros tipos de cadenas o incluso sistemas más complejos". Los investigadores del Empa predican con el ejemplo: En un segundo estudio, que está a punto de publicarse, fueron capaces de recrear un tipo diferente de cadena de Heisenberg en la que todos los espines están igualmente enlazados.
Para estar a la vanguardia de la física cuántica aplicada, científicos teóricos y experimentales de distintas disciplinas tienen que trabajar juntos. Químicos de la Universidad Tecnológica de Dresde proporcionaron a los investigadores del Empa las moléculas de partida para su síntesis de los Cálices de Clar. Y los investigadores del Laboratorio Ibérico Internacional de Nanotecnología de Portugal aportaron sus conocimientos teóricos al proyecto. La teoría necesaria para estos avances no es (sólo) la que se encuentra en los libros de texto de física, subraya Fasel, sino una sofisticada transferencia entre el modelo de física cuántica y las mediciones experimentales.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Chenxiao Zhao, Gonçalo Catarina, Jin-Jiang Zhang, João C. G. Henriques, Lin Yang, Ji Ma, Xinliang Feng, Oliver Gröning, Pascal Ruffieux, Joaquín Fernández-Rossier, Roman Fasel; "Tunable topological phases in nanographene-based spin-1/2 alternating-exchange Heisenberg chains"; Nature Nanotechnology, 2024-10-28
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