Una caja de herramientas para la investigación cuántica
Modelo cuántico de espín a partir de moléculas de nanografeno
Investigadores de Empa del laboratorio nanotech@surfaces han recreado experimentalmente otro modelo teórico fundamental de la física cuántica, que se remonta al Premio Nobel Werner Heisenberg. La base del exitoso experimento fue una especie de "Lego cuántico" formado por diminutas moléculas de carbono conocidas como nanografenos. Este enfoque sintético ascendente permite una investigación experimental versátil de las tecnologías cuánticas, que algún día podría contribuir a impulsar avances en este campo.
Ladrillos de Lego moleculares: Para la cadena homogénea de Heisenberg, los investigadores utilizaron la molécula de nanografeno Olympicene, formada por cinco anillos de carbono.
Empa
En 2024, los investigadores del Empa y sus socios lograron realizar por primera vez el llamado modelo de Heisenberg alternante unidimensional con un material sintético. Este modelo teórico de física cuántica, conocido desde hace casi un siglo, describe una cadena lineal de espines, un tipo de magnetismo cuántico. Ahora, los investigadores dirigidos por Roman Fasel, jefe del laboratorio nanotech@surfaces de Empa, también han sido capaces de reconstruir en el laboratorio el "hermano" del modelo.
En el modelo alternante, los espines se enlazan siguiendo un patrón de acoplamientos fuertes y débiles alternativamente. En el nuevo modelo, sin embargo, los espines están conectados uniformemente. Esta diferencia aparentemente menor da lugar a propiedades fundamentalmente distintas: Los espines de la cadena homogénea están fuertemente entrelazados y presentan correlaciones de largo alcance, sin brecha energética entre el estado básico y los estados excitados. En cambio, en la cadena alternante se produce una brecha energética y los espines tienden a formar fuertes enlaces entre pares, con correlaciones que disminuyen rápidamente (de forma exponencial). Los investigadores pudieron confirmar con precisión estas predicciones de la física cuántica teórica en sus cadenas de espín de nanografeno. Los resultados acaban de publicarse en el último número de Nature Materials.
Ambos modelos se realizaron con nanografenos, fragmentos diminutos del material bidimensional de carbono grafeno. Controlando con precisión la forma de estos fragmentos, los investigadores pueden manipular sus propiedades físicas (cuánticas). El objetivo es desarrollar una plataforma material -una especie de "Lego cuántico"- que permita estudiar experimentalmente diversos modelos y efectos cuánticos.
Las tecnologías cuánticas, un (diminuto) paso más cerca de las aplicaciones prácticas
Los dos experimentos de Heisenberg ponen de relieve este enfoque. Para el modelo de cadena de espín alternante, los investigadores utilizaron como material de partida las llamadas copas de Clar, moléculas de nanografeno en forma de reloj de arena compuestas por once anillos de carbono. Para la cadena homogénea de Heisenberg, utilizaron un nanografeno diferente: el olimpieno, que consta de cinco anillos y debe su nombre a su parecido con los aros olímpicos.
"Ahora hemos demostrado por segunda vez que los modelos teóricos de la física cuántica pueden realizarse con nanografenos, haciendo que sus predicciones puedan comprobarse experimentalmente", afirma Fasel. A continuación, los investigadores planean utilizar sus nanografenos para crear e investigar cadenas de espín ferrimagnéticas. En estas cadenas, los momentos magnéticos se alinean de forma antiparalela pero no se anulan por completo. También son de gran interés las redes de espín bidimensionales, que presentan una variedad de fases mucho mayor que las cadenas de espín, incluidos estados topológicos, líquidos cuánticos de espín y fenómenos críticos exóticos. Esto las hace especialmente interesantes, tanto para la investigación fundamental como para las aplicaciones prácticas.
Al fin y al cabo, recrear los modelos de los libros de texto de física cuántica no es sólo un ejercicio académico, sino que también tiene una finalidad práctica. Las tecnologías cuánticas prometen grandes avances en comunicación, potencia de cálculo, tecnología de medición y mucho más. Sin embargo, los estados cuánticos son frágiles y sus efectos difíciles de captar, por lo que la investigación de aplicaciones en el mundo real resulta especialmente complicada. Con su "Lego cuántico" de nanografeno, los investigadores del Empa esperan profundizar en el conocimiento de los efectos cuánticos y allanar así el camino hacia tecnologías cuánticas utilizables.
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Publicación original
Chenxiao Zhao, Lin Yang, João C. G. Henriques, Mar Ferri-Cortés, Gonçalo Catarina, Carlo A. Pignedoli, Ji Ma, Xinliang Feng, Pascal Ruffieux, Joaquín Fernández-Rossier, Roman Fasel; "Spin excitations in nanographene-based antiferromagnetic spin-1/2 Heisenberg chains"; Nature Materials, 2025-3-14
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, Volume 19, 2024-10-28
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