Nuevo estado de la materia: los líquidos cuánticos de espín podrían revolucionar la informática

La materia puede tomar diferentes formas. Aprendemos en los bancos de la escuela. Hay sólidos, líquidos y gases. Son los tres estados de la materia más conocidos. Pero los físicos de hoy distinguen a algunos otros. Increíble en su mayor parte. Particularmente exótico incluso para algunos. El estado de plasma, el estado superconductor o incluso el condensado de Bose-Einstein, por ejemplo.

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Lo que los investigadores llaman líquido de espín cuántico es quizás uno de los estados de la materia más increíbles. El físico estadounidense Philip Anderson, alias ganador del Premio Nobel de Física en 1977, lo mencionó por primera vez a principios de la década de 1970. Los especialistas en materia condensada desarrollaron todo tipo de teorías sobre el tema.

Pero fue solo a principios de nuestro siglo cuando se identificó en el laboratorio el primer modelo de este estado de la materia. En un mineral raro, Herbertsmithita, con la fórmula química ZnCu₃ (OH) ₆Cl_dos. Gracias a su estructura cristalina especial que pone iones de Cu²⁺ magnetizado en la parte superior de una red llamada Kagomé. Una red compuesta por triángulos equiláteros y hexágonos.

Sintetizar líquidos Quantum Spin

Hoy, un equipo internacional liderado por investigadores de la Universidad de Harvard (Estados Unidos) anuncia que ha ido más allá. En los últimos años, los físicos han intentado sintetizar estos líquidos de espín cuántico para estudiarlos en el laboratorio. Y disfrútalo desde un punto de vista práctico. Buscan formar estructuras de nido de abeja bidimensionales o incluso compuestos de Kagomé. Y los físicos de Harvard finalmente lo hicieron.

Para entender cómo hicieron esto, veamos primero una peculiaridad de los líquidos cuánticos de espín. Porque al contrario de lo que su nombre podría sugerir, no tienen nada que ver con los líquidos en el sentido común. En cambio, se presenta en forma de cristales sólidos. Como Herbertsmithite. Por otro lado, lo que se puede describir como un líquido, en un líquido cuántico de espín, es su estado magnético. Por lo tanto, los espines, ese tipo de imanes elementales que dan a la materia sus propiedades magnéticas, los materiales colocados en este estado se comportan como moléculas en un líquido. Es decir al azar.

En Herbertsmithita – con la fórmula química ZnCu₃ (OH) ₆Cl_dos -, solo iones Cu²⁺ mostrar un momento magnético. Están organizados en una red de Kagomé como esta. © RA Nonenmacher, Wikipedia, CC by-SA 4.0

Con la importante diferencia de que cuanto más se enfría un líquido tradicional, más ordenadas están sus moléculas. Pero los líquidos de espín cuántico permanecen desordenados, incluso a temperaturas extremadamente bajas. Tus electrones no se estabilizan. Un poco como imanes que nunca se congelarían. Están flotando constantemente en uno de los estados cuánticos más enredados de todos los tiempos. Apareciendo en diferentes configuraciones al mismo tiempo con cierta probabilidad. Su estado de baja energía se puede alcanzar en diferentes configuraciones de giro. El resultado de un fenómeno conocido por los físicos como frustración magnética.

Frustración magnética en el meollo del asunto

Esta frustración aparece, por ejemplo, en una red cristalina triangular antiferromagnética. En un material antiferromagnético, para minimizar la energía de interacción, los espines se orientan de manera antiparalela, de la cabeza a la cola, para una magnetización cero. Es fácil de lograr en una cuadrícula. Pero en una red triangular, resulta imposible colocar todos los pares de espines en direcciones antiparalelas. Los giros, siempre buscando esa configuración ideal, siguen oscilando.

Para obtener un líquido de espín cuántico, imaginamos que debemos ser capaces de crear redes de formas programables. Matrices de panal o matrices triangulares, por ejemplo. Fomentar diferentes interacciones y entrelazamientos entre átomos ultrafríos. La herramienta para hacer este tipo de cosas, la desarrollaron investigadores de la Universidad de Harvard en 2017. Un simulador cuántico que«Permite separar átomos y traerlos de vuelta»como quieras, dicen los físicos. Todo gracias a un láser de frecuencia ajustable.

Así fue como pudieron crear su propia red de Kagomé frustrada, depositar átomos allí y luego medir y analizar las interacciones entre ellos a través de cadenas topológicas. Y es precisamente la existencia de tales cadenas lo que permite a los investigadores afirmar que se producen correlaciones cuánticas y que ha surgido un estado líquido de espín cuántico.

Hacia la computadora cuántica

Si los físicos han estado trabajando con líquidos cuánticos de espín durante casi 50 años, no es solo por curiosidad intelectual. También es que sus propiedades particulares son prometedoras. Los líquidos de espín cuántico en realidad pueden hacer avanzar campos como superconductores de alta temperatura. O computación cuántica.

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Mientras que las computadoras que usamos todos los días se basan en un sistema clásico de bits binarios para codificar información, las computadoras cuánticas se basan en qubits, bits cuánticos. El problema es que estos qubits son muy inestables. La menor variación de temperatura, por ejemplo, es suficiente para hacerlos perder su dirección. Pero en un líquido cuántico de espín, los qubits deben ser mucho más resistentes a la interferencia externa. Ahora queda para que los investigadores aprendan cómo crear y manipular los llamados qubits topológicos. Un paso importante hacia la realización de computadoras cuánticas confiables.

Fuente:Sondeo de líquidos de espín topológico en un simulador cuántico programable