La Universidad de Alicante participa en una colaboración internacional que muestra cómo la interacción de moléculas magnéticas de grafeno provoca su fraccionamiento cuántico

Un grupo de investigadores internacionales de Suiza, Portugal, España y Alemania, dirigidos por científicos de EMPA (Zurich) y del Laboratorio Ibérico Internacional de Nanotecnología (INL), y entre los que participa la Universidad de Alicante, acaban de descubrir un cambio de comportamiento en las moléculas magnéticas al interaccionar, en un experimento en el que han logrado construir cadenas de imanes cuánticos hechos de nanografenos. Este cambio, que “a priori es contra intuitivo”, como señala Joaquín Fernández Rossier, profesor  investigador del Departamento de Física Aplicada de la UA y del INL, supone la constatación de lo que ya predijo en los años ochenta el físico inglés Duncan Haldane al capturar la esencia de uno de los modelos centrales del magnetismo cuántico, propuesto en 1983 por F. D. M. Haldane, trabajo que le valió el premio Nobel en 2016. El descubrimiento se ha publicado en la revista Nature el 13 de octubre de 2021 en el artículo Observation of fractional edge excitations in nanographene spin chains.

El resultado obtenido en esta colaboración internacional abre la puerta a la posibilidad de construir ordenadores cuánticos usando este tipo de moléculas.

En la interacción surgen las diferencias: la “sociología de las partículas”   

La colaboración internacional ha dejado en manos de los científicos de la Universidad de Dresden la creación de las moléculas magnéticas; la EMPA, en Suiza, se ha encargado de realizar los experimentos; y en la Universidad de Alicante Gonçalo Catarina, Ricardo Ortiz y Joaquín Fernández Rossier han llevado a cabo la parte teórica de la colaboración, analizando los datos obtenidos y concluyendo que se ha producido lo que predijo Haldane. En los años 80 del pasado siglo XX, el físico inglés Duncan Haldane construyo un modelo matemático para partículas de spin 1 en el que se producía el fraccionamiento de los spines. 

Para concluir este resultado los investigadores han creado moléculas magnéticas. Estas moléculas tienen forma de triángulo y son, cada una de ellas, un pequeño imán, como el de una brújula. A diferencia de las brújulas normales, una brújula cuántica solo puede apuntar en unas pocas direcciones. Así, las brújulas de los electrones pueden apuntar en dos direcciones únicamente, lo que en la jerga de los físicos teóricos se expresa diciendo que los electrones tienen “spin ½”. Las brújulas de las moléculas del experimento pueden apuntar en tres direcciones únicamente, y se dice entonces que tienen spin 1. En la imagen adjunta (número 4), tomada con microscopio de efecto túnel (STM), que permite visualizar y estudiar átomos y moléculas, se puede ver una imagen tomada con microscopio de efecto túnel con cadenas de moléculas o cadenas de imanes, formadas por cada molécula magnética de forma triangular.

El resultado sorprendente, predicho por Haldane, es que cuando las moléculas de “spin 1” se juntan formando una cadena, su magnetismo desparece en toda la cadena, excepto en las unidades primera y última. En dichas unidades el sistema se corresponde como si tuviera un spin ½, o sea, el magnetismo cuántico de un único electrón.  Así, el resultado de combinar moléculas magnéticas de tres estados, o spin 1, da lugar a la emergencia de moléculas magnéticas de dos estados, o spin ½.  

La importancia de este resultado es “casi filosófica”, señala el investigador de la UA y el INL. “La física de partículas se centra en estudiar las partículas elementales y sus propiedades básicas, como su carga, spin y masa”. Este tipo de experimentos muestra que “las propiedades de un sistema son muy diferentes de las piezas con las que está hecho el sistema. El comportamiento es muy diferente”, concluye. “A esto se le viene a denominar ‘la sociología de las partículas’ o de los electrones en este caso”.

Joaquín Fernández Rossier afirma que este trabajo “muestra el potencial para usar nanografenos para formar redes bidimensionales de nanoimanes que permitan comprobar predicciones análogas a las de Haldane, como por ejemplo la existencia de estados cuánticos que permitirían realizar computación cuántica basada en medidas.”.    

Computación cuántica 

En computación cuántica convencional es necesario poner en comunicación muchas parejas de bits cuánticos (qubits), inicialmente independientes, para lograr su entrelazamiento cuántico.   Un esquema alternativo es partir de una situación en la que los bits cuánticos ya estén entrelazados, es decir, que no sean independientes “Con esto simplificas la tarea a la hora de hacer funcionar con este tipo de ordenadores”.

Los físicos están pensando la posibilidad de hacer un cristal bidimensional con estas moléculas, “es posible que esos triángulos (moléculas) tuvieran esta propiedad para hacer computación cuántica basada en medidas”. Este es siguiente trabajo que van a llevar a cabo: la creación de este tipo de cristal y comprobar si funciona. “Es pasar de una dimensión a dos dimensiones”. De lograr esta propiedad en el cristal permitiría reducir el número de operaciones en ordenadores cuánticos, “ya que estos ordenadores pierden coherencia, propiedad cuántica que les permite estar en dos estados a la vez y que es imprescindible para la ejecución de algoritmos cuánticos”.