La Universitat d'Alacant participa en una col·laboració internacional que mostra com la interacció de molècules magnètiques de grafè en provoca el fraccionament quàntic
El descobriment acaba de ser publicat en la revista “Nature” i constata una predicció de Duncan Haldane, que li va valdre el Premi Nobel el 2016
El resultat obtingut per la creació de cadenes d’imants quàntics de nanografens pot ser la porta per a construir ordinadors quàntics més ràpids
Un grup d’investigadors internacionals de Suïssa, Portugal, Espanya i Alemanya, dirigits per científics d’EMPA (Zuric) i del Laboratori Ibèric Internacional de Nanotecnologia (INL), i entre els quals participa la Universitat d’Alacant, acaben de descobrir un canvi de comportament en les molècules magnètiques quan interaccionen, en un experiment en el qual han aconseguit construir cadenes d’imants quàntics fets de nanografens. Aquest canvi, que «a priori és contraintuïtiu», com assenyala Joaquín Fernández Rossier, professor investigador del Departament de Física Aplicada de la UA i de l’INL, significa la constatació del que ja havia predit en els anys vuitanta el físic anglès Duncan Haldane quan va capturar l’essència d’un dels models centrals del magnetisme quàntic, proposat el 1983 per F. Sr. M. Haldane, treball que li va valdre el premi Nobel el 2016. El descobriment es va publicar en la revista Nature el 13 d’octubre de 2021 en l’article «Observation of fractional edge excitations in nanographene spin chains».
El resultat obtingut en aquesta col·laboració internacional obri la porta a la possibilitat de construir ordinadors quàntics usant aquest tipus de molècules.
En la interacció sorgeixen les diferències: la “sociologia de les partícules”
La col·laboració internacional ha deixat en mans dels científics de la Universitat de Dresden la creació de les molècules magnètiques; l’EMPA, a Suïssa, s’ha encarregat de fer els experiments, i a la Universitat d’Alacant Gonçalo Catarina, Ricardo Ortiz i Joaquín Fernández Rossier han dut a terme la part teòrica de la col·laboració, analitzant les dades obtingudes i concloent que s’ha produït el que havia predit Haldane. En els anys vuitanta del segle XX, el físic anglès Duncan Haldane va construir un model matemàtic per a partícules de spin 1 en el qual es produïa el fraccionament dels spins.
Per a concloure aquest resultat els investigadors han creat molècules magnètiques. Aquestes molècules tenen forma de triangle i són, cadascuna, un petit imant, com el d’una brúixola. A diferència de les brúixoles normals, una brúixola quàntica només pot apuntar en unes poques direccions. Així, les brúixoles dels electrons poden apuntar en dues direccions únicament, cosa que en l’argot dels físics teòrics s’expressa dient que els electrons tenen spin ½. Les brúixoles de les molècules de l’experiment poden apuntar en tres direccions únicament, i es diu llavors que tenen spin 1. En la imatge adjunta (número 4), presa amb microscopi d’efecte túnel (STM), que permet visualitzar i estudiar àtoms i molècules, es pot veure una imatge presa amb microscopi d’efecte túnel amb cadenes de molècules o cadenes d’imants, formades per cada molècula magnètica de forma triangular.
El resultat sorprenent, predit per Haldane, és que quan les molècules de spin 1 s’ajunten formant una cadena, el seu magnetisme desapareix en tota la cadena, llevat de les unitats primera i última. En aquestes unitats el sistema es correspon com si tinguera un spin ½, és a dir, el magnetisme quàntic d’un únic electró. Així, el resultat de combinar molècules magnètiques de tres estats, o spin 1, dóna lloc a l’emergència de molècules magnètiques de dos estats, o spin ½.
La importància d’aquest resultat és «quasi filosòfica», assenyala l’investigador de la UA i l’INL. «La física de partícules se centra a estudiar les partícules elementals i les seues propietats bàsiques, com la càrrega, spin i massa». Aquest tipus d’experiments mostra que «les propietats d’un sistema són molt diferents de les peces amb les quals està fet el sistema. El comportament és molt diferent», conclou. «A això es denomina la sociologia de les partícules o dels electrons en aquest cas».
Joaquín Fernández Rossier afirma que aquest treball «mostra el potencial per a usar nanografens per a formar xarxes bidimensionals de nanoimants que permeten comprovar prediccions anàlogues a les de Haldane, com per exemple l’existència d’estats quàntics que permetrien realitzar computació quàntica basada en mesures.».
Computació quàntica
En computació quàntica convencional és necessari posar en comunicació moltes parelles de bits quàntics (qbits), inicialment independents, per a aconseguir-ne l’entrellaçament quàntic. Un esquema alternatiu és partir d’una situació en què els bits quàntics ja estiguen entrellaçats, és a dir, que no siguen independents: «Amb això simplifiques la tasca a l’hora de fer funcionar amb aquest tipus d’ordinadors.»
Els físics pensen en la possibilitat de fer un cristall bidimensional amb aquestes molècules: «És possible que aquests triangles (molècules) tingueren aquesta propietat per a fer computació quàntica basada en mesures.». Aquest és següent treball que duran a terme: la creació d’aquest tipus de cristall i comprovar si funciona. «És passar d’una dimensió a dues dimensions». Si s’obtinguera aquesta propietat en el cristall permetria reduir el nombre d’operacions en ordinadors quàntics, «ja que aquests ordinadors perden coherència, propietat quàntica que els permet estar en dos estats alhora i que és imprescindible per a executar algorismes quàntics».
