Un equipo internacional dirigido por investigadores de la Universidad Rutgers-New Brunswick ha fusionado dos materiales sintetizados en laboratorio en una estructura cuántica sintética cuya existencia se creía imposible y ha producido una estructura exótica que se espera proporcione información que pueda conducir a nuevos materiales en el núcleo de la computación cuántica. El trabajo, descrito en un artículo de portada en la revista Nano Letters, explica cómo cuatro años de experimentación continua condujeron a un método novedoso para diseñar y construir un sándwich único y diminuto compuesto de capas atómicas distintas.
Una porción de la estructura microscópica está hecha de titanato de disprosio, un compuesto inorgánico utilizado en reactores nucleares para atrapar materiales radiactivos y contener esquivas partículas monopolares magnéticas, mientras que la otra está compuesta de iridato de pirocloro, un nuevo semimetal magnético utilizado principalmente en la investigación experimental actual debido a sus distintivas propiedades electrónicas, topológicas y magnéticas. Individualmente, ambos materiales suelen considerarse “imposibles” debido a sus propiedades únicas que desafían la comprensión convencional de la física cuántica. La construcción de la exótica estructura sándwich prepara el escenario para las exploraciones científicas en lo que se conoce como la interfaz, el área donde se encuentran los materiales, a escala atómica.
“Este trabajo proporciona una nueva forma de diseñar materiales cuánticos bidimensionales artificiales completamente nuevos, con el potencial de impulsar las tecnologías cuánticas y proporcionar una comprensión más profunda de sus propiedades fundamentales de maneras que antes eran imposibles”, dijo Jak Chakhalian, profesor titular de Física Experimental Claud Lovelace en el Departamento de Física y Astronomía de la Escuela de Artes y Ciencias de Rutgers e investigador principal del estudio.
Chakhalian y su equipo exploran un campo que sigue las leyes de la teoría cuántica, una rama de la física que describe el comportamiento de la materia y la energía a nivel atómico y subatómico. El concepto de dualidad onda-partícula es fundamental para la mecánica cuántica, según el cual los objetos cuánticos pueden poseer propiedades tanto ondulatorias como corpusculares, un principio fundamental de tecnologías como los láseres, la resonancia magnética (RM) y los transistores.
Chakhalian elogió efusivamente el esfuerzo de tres estudiantes de Rutgers que contribuyeron significativamente a la investigación: Michael Terilli y Tsung-Chi Wu, ambos estudiantes de doctorado, y Dorothy Doughty, quien se graduó en 2024 y colaboró en el estudio como estudiante de pregrado. Además, Mikhail Kareev, científico de materiales que trabaja con Chakhalian, realizó una contribución clave al nuevo método de síntesis, así como Fangdi Wen, estudiante de doctorado recientemente graduada del Departamento de Física y Astronomía. Chakhalian dijo que crear este sándwich cuántico único fue tan desafiante técnicamente que el equipo tuvo que construir un nuevo dispositivo para lograr la hazaña.
El instrumento, llamado Q-DiP (abreviatura de plataforma de descubrimiento de fenómenos cuánticos), se completó en 2023. Q-DiP incorpora un calentador láser infrarrojo con otro láser que permite la construcción de materiales a nivel atómico, capa por capa. Esta combinación permite a los científicos explorar las propiedades cuánticas más complejas de los materiales hasta temperaturas ultrabajas cercanas al cero absoluto.
“Hasta donde sabemos, esta sonda es única en Estados Unidos y representa un gran avance instrumental”, afirmó Chakhalian.
La mitad del sándwich experimental, compuesta por titanato de disprosio, también conocido como hielo de espín, posee cualidades especiales. Los diminutos imanes en su interior, llamados espines, están dispuestos de forma idéntica al patrón del hielo de agua. La singular estructura de los diminutos imanes en el hielo de espín les permite emerger como partículas especiales llamadas monopolos magnéticos.
Un monopolo magnético es una partícula que actúa como un imán, pero con un solo polo: norte o sur, pero no ambos. Este objeto, predicho en 1931 por el premio Nobel Paul Dirac, no existe en forma libre en el universo. Sin embargo, dentro del hielo de espín emerge como resultado de las interacciones de la mecánica cuántica dentro del material.
Por otro lado, el semimetal pirocloro iridato también se considera exótico porque contiene diminutas partículas relativistas llamadas fermiones de Weyl. Sorprendentemente, aunque predichas por Hermann Weyl en 1929, estas partículas exóticas, descubiertas en 2015 en cristales, se mueven como la luz y pueden girar de diferentes maneras: levógira o dextrógira.
Sus propiedades electrónicas son muy sólidas y resisten ciertos tipos de perturbaciones o impurezas, lo que las hace muy estables al operar como parte de dispositivos electrónicos. Como resultado, el iridato de pirocloro puede conducir muy bien la electricidad, responder de forma inusual a los campos magnéticos y mostrar efectos especiales al exponerse a campos electromagnéticos. Chakhalian dijo que las propiedades combinadas del nuevo material creado lo convierten en un candidato prometedor para su uso en tecnologías avanzadas, incluida la computación cuántica y, especialmente, para los sensores cuánticos de próxima generación.
“Este estudio es un gran paso adelante en la síntesis de materiales y podría tener un impacto significativo en la forma en que creamos sensores cuánticos y avanzamos en los dispositivos espintrónicos”, afirmó.
La computación cuántica emplea los principios de la mecánica cuántica para procesar información. Las computadoras cuánticas utilizan bits cuánticos o cúbits que existen en múltiples estados simultáneamente gracias a un principio físico cuántico llamado superposición. Esto permite realizar cálculos complejos con mucha mayor eficiencia que las computadoras clásicas. Las propiedades electrónicas y magnéticas específicas del material desarrollado por los investigadores pueden ayudar a crear estados cuánticos muy inusuales y, sin embargo, estables, que son esenciales para la computación cuántica.
Cuando la tecnología cuántica se vuelva práctica, impactará significativamente la vida cotidiana al revolucionar el descubrimiento de fármacos y la investigación médica, mejorando notablemente las operaciones, la previsibilidad y el ahorro de costos en finanzas, logística y manufactura. También se espera que revolucione los algoritmos de aprendizaje automático, potenciando los sistemas de inteligencia artificial, según los científicos.
Fuente: Phys.org.
