Un estado nuevo de la materia en un material inesperado podría facilitar la llegada de la computación cuántica

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Recientemente, el mundo de la física se revolucionó cuando científicos confirmaron que habían realizado la primera observación directa de un estado nuevo de la materia, conocido como líquido de espín cuántico, por primera vez.

Pero ahora, un equipo de físicos acaba de anunciar que se han observado el estado líquido de espín cuántico de nuevo, y esta vez en un material en el que debería ser imposible.

Este descubrimiento podría cambiar nuestra comprensión de cómo conseguir llegar a la computación cuántica.

“Hemos demostrado empíricamente que estados cuánticos interesantes como los líquidos de espín también pueden ocurrir en cristales considerablemente más complejos con diferentes constelaciones de interacciones magnéticas”, dijo el investigador principal Christian Balz, del Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) en Alemania.

“Esto podría ser importante para el avance de los ordenadores cuánticos en el futuro porque los líquidos de espín son una de las posibles piezas fundamentales para el almacenamiento de la unidad mínima de información cuántica, conocida como qubit”, agregó Bella Lake, una de las investigadoras sénior. Esto se suma a la caja de herramientas de los científicos, quienes disponen de una variedad de posibles métodos para llegar a este fin. Un ejemplo de esto es la creación de pseudo-partículas, que permitiría una computación cuántica libre de errores, historia que cubrimos no hace mucho y que puedes leer aquí.

Pero vamos por partes, porque todo esto en realidad no es tan confuso como suena.

Esta micrografía de efecto túnel captura los estados de espín de seis átomos de cobalto. Imagen: Saw-Wai HLA/Ohio University

En el mundo cuántico, el espín en realidad no significa que un electrón esté físicamente girando. Se refiere a un tipo de momento angular intrínseco que se limita a describir la forma en que un electrón se comporta. En la computación cuántica, a menudo simplificamos esta idea diciendo que el estado de espín es abajo, arriba, o en superposición (ambos al mismo tiempo).

El líquido de espín cuántico es un estado de la materia que, simplemente, se produce cuando el espín de los electrones sigue fluctuando de manera fluida, incluso a temperaturas muy bajas, cuando deberían haberse llegado a congelar.

Es como los átomos dentro de un material normal. Cuando se encuentran en un estado fluido, se mueven libremente. Pero cuando las temperaturas caen, quedarán congelados en una disposición sólida. Eso debería ocurrir con orientaciones de espín en materiales magnéticos, pero en el líquido de espín cuántico, no sucede.

A pesar de haber sido predicho en 1973, este nuevo estado de la materia sólo se observó por primera vez este año, en un material de dos dimensiones, similar al grafeno. Aquel descubrimiento tenía mucho sentido, ya que aquel material encajaba en nuestra idea sobre cómo surge el estado líquido de espín cuántico.

Básicamente, el concepto es que un material tiene que poseer interacciones anti-ferromagnéticas, o antiparalelas, que, como su nombre indica, es lo opuesto a las interacciones ferromagnéticas en materiales como el hierro y el níquel.

Esto significa que si un electrón tiene un espín hacia “abajo”, el que está junto a él tiene que tener un espín hacia “arriba”, y así sucesivamente.

Los materiales anti-ferromagnéticos en sí no entran necesariamente en un estado líquido de espín cuántico, a menos que también tengan una disposición atómica triangular, lo que hace que esta alineación se vuelva imposible.

Así que, imagínate tres átomos en la esquina de un triángulo. Nunca se van a encontrar todos en alineación paralela porque tan pronto como uno cambia para coordinarse con el de su derecha, el que está en su izquierda tendrá que cambiar, y así sucesivamente. Van a seguir cambiando su alineamiento incluso a una temperatura de cero absoluto. De este modo, surge el estado líquido de espín cuántico.

Pero la nueva investigación sugiere que nuestros criterios no son del todo correctos, ya que el equipo alemán fue capaz de observar cómo el nuevo estado de la materia ocurría en un material que no encajaba en ese perfil.

El material en cuestión es un monocristal de óxido de calcio-cromo (Ca10Cr7O28).

(Imagen ampliable) Disposición trihexagonal. Imagen: R. A. Nonenmacher

El óxido de calcio-cromo se compone de lo que se dispone de forma trihexagonal (ilustrado en la imagen). Esto básicamente significa que el material tiene, además de una mezcla compleja de interacciones anti-ferromagnéticas, interacciones ferromagnéticas mucho más fuertes. De acuerdo a la comprensión convencional, esto debería impedir que se diera el líquido de espín cuántico.

No obstante, a través de una serie de experimentos de dispersión y de espectrometría realizados en Alemania, Francia, Inglaterra, Suiza y Estados Unidos, el equipo fue capaz de demostrar que este no era el caso. El líquido de espín cuántico ocurría incluso a temperaturas tan bajas como 20 millikelvin (alrededor de -273 grados Celsius).

¿Qué significa esto? Afortunadamente, el equipo ha llegado a una hipótesis para explicar por qué este material podría comportarse como un líquido de espín cuántico sin romper nuestro entendimiento convencional del estado de la materia.

A través del uso de simulaciones numéricas, han demostrado que la competencia es la clave en este extraño comportamiento. Diferentes interacciones magnéticas en los materiales compiten entre sí, y mantienen los espines en constante cambio.

(Imagen ampliable) Competición en las interacciones llevada a cabo por cada átomo (las bolas de color gris y negro). Los palos verdes y rojos representan las interacciones ferromagnéticas, mientras que los azules representan las interacciones anti-ferromagnéticas, que están obligando a los espines a seguir cambiando. Imagen: HZB

Se puede apreciar este mecanismo en la ilustración, que muestra la competición en las interacciones llevada a cabo por cada átomo (las bolas de color gris y negro). Los palos verdes y rojos representan las interacciones ferromagnéticas, mientras que los azules representan las interacciones anti-ferromagnéticas, que están obligando a los espines a seguir cambiando.

“El estudio expande nuestra comprensión acerca de los materiales magnéticos, y también nos muestra que existen potencialmente mucho más candidatos para el líquido de espín cuántico de lo que esperábamos”, dijo Lake.

La investigación se ha publicado en la revista Nature Physics, pero los hallazgos aún tienen que ser verificados por otros equipos antes de decir con seguridad que el estado líquido de espín cuántico puede existir en estos nuevos tipos de materiales. Pero es un estudio muy interesante que amplía enormemente el rango potencial de materiales que se podrían usar en el futuro para construir ordenadores cuánticos.

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2017-02-02T23:07:07+00:00