Estados magnéticos exóticos en dimensiones miniaturizadas
Cadenas magnéticas unidimensionales ensambladas a partir de moléculas
Dirigido por científicos del Empa y del Laboratorio Ibérico Internacional de Nanotecnología, un equipo internacional de investigadores de Suiza, Portugal, Alemania y España ha logrado construir cadenas de espín cuánticas basadas en el carbono, en las que han captado la aparición de uno de los modelos fundamentales del magnetismo cuántico propuesto por primera vez por el premio Nobel 2016 F. D. M. Haldane en 1983. Publicados en la revista Nature, los resultados del equipo podrían tener amplias implicaciones en la comprensión del magnetismo cuántico de baja dimensión y podrían contribuir al campo emergente de la computación cuántica.
Representación artística de una cadena de espín cuántico de trianguleno adsorbida en una superficie de oro y sondeada con la punta afilada de un microscopio de barrido de túneles. Aunque cada unidad de trianguleno tiene un espín total de 1, las correlaciones cuánticas en la cadena conducen a la fraccionalización del espín, de modo que las unidades terminales de trianguleno muestran un espín de ½.
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Izquierda: micrografía de barrido en túnel de una muestra que contiene cadenas de espín cuánticas de trianguleno, donde se destacan las cadenas que contienen entre dos y siete unidades de trianguleno. Derecha: Micrografía de barrido en túnel de alta resolución de una cadena de espín de diez unidades, en la que se distinguen claramente las unidades de trianguleno que la componen. Además, la mayor corriente de túnel sobre las unidades terminales de trianguleno, que conduce a su apariencia más brillante, se debe a las excitaciones de espín-½ en los extremos de la cadena. La estructura química del trianguleno se muestra en el recuadro.
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Todos estamos acostumbrados a la idea de que las unidades más simples de la naturaleza interactúan para formar estructuras complejas. Tomemos, por ejemplo, la jerarquía de la vida, en la que los átomos se combinan para formar moléculas, las moléculas se combinan para formar células, las células se combinan para formar tejidos, y así sucesivamente, hasta llegar a la formación de organismos complejos como los humanos. En el mundo cuántico, sin embargo, este proceso puede desarrollarse a la inversa, donde las interacciones entre dos objetos complejos conducen a la aparición de especies más simples.
Magia cuántica: aserrar imanes cuánticos por la mitad
Todas las partículas elementales tienen un "espín", una propiedad fundamental que rige su interacción con los campos magnéticos. Los espines están cuantizados, lo que significa que sólo pueden asumir valores discretos. Los electrones tienen el espín más pequeño posible, que puede tomar dos valores discretos, mientras que los siguientes sistemas más sencillos son aquellos cuyo espín toma tres valores discretos, denominados espín ½ y espín 1, respectivamente. En la década de 1980, se predijo que una cadena unidimensional de unidades de espín 1 que interactuasen debería estar "fraccionada", de manera que las unidades terminales de la cadena se comportasen, en contra de la intuición, como objetos de espín ½. Por lo tanto, al igual que los magos que parecen ver a una persona en dos mitades y separarlas, las correlaciones cuánticas en la cadena dividen un espín 1 en dos entidades de espín ½.
Cadenas magnéticas unidimensionales ensambladas a partir de moléculas
Poner a prueba esta predicción en un laboratorio ha sido un reto por varias razones, la principal de las cuales es que los materiales convencionales no son unidimensionales. Aunque se han observado pruebas indirectas de fraccionamiento de espín en cristales de cadenas organometálicas que contienen iones de metales de transición, la observación directa del fenómeno ha seguido siendo difícil.
Ahora, un equipo internacional de investigadores ha encontrado una vía extraordinaria para lograr esta hazaña. Combinando la química orgánica y la ciencia de superficies en ultravacío, el equipo fabricó cadenas de un hidrocarburo aromático policíclico triangular con espín 1, conocido como trianguleno. Mediante un microscopio de barrido en túnel, el equipo analizó las excitaciones magnéticas de estas cadenas de espín en una superficie de oro. Descubrieron que, a partir de cierta longitud, las unidades terminales de trianguleno de las cadenas presentaban resonancias Kondo, que son una huella espectroscópica característica de los objetos cuánticos de espín ½ en contacto con una superficie metálica.
¿De las cadenas a las redes y a los ordenadores cuánticos?
Los investigadores están convencidos de que los sistemas moleculares de espín de fácil y directa accesibilidad que presentan un comportamiento fuertemente correlacionado de los electrones se convertirán en un terreno de juego fértil para desarrollar y probar nuevos conceptos teóricos. Además de explorar las cadenas de espín lineales, los científicos también se centran en las redes bidimensionales de imanes cuánticos. Estas redes de espín son una plataforma material prometedora para la computación cuántica.
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.
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