Hace 50 años el físico Philip Anderson predijo un estado exótico y totalmente nuevo de la materia llamado líquido de espín cuántico. Ahora los científicos han podido observarlo y manipularlo en un laboratorio por primera vez. La innovación podría ayudar a crear mejores computadoras cuánticas. La investigación fue publicada en Science.
La parte “líquida” se refiere a los electrones que cambian y fluctúan constantemente dentro de un material magnético a bajas temperaturas. Sin embargo, en este caso los electrones no se estabilizan ni se asientan en la red estructurada de un sólido a medida que se enfrían.
El “giro cuántico” se refiere a la orientación del momento angular (arriba/abajo) transportado por partículas, que se entrelazan en pares con espines opuestos. Habiendo observado el estado por primera vez, se espera que el descubrimiento pueda avanzar en el desarrollo de las computadoras cuánticas.
“Es un momento muy especial en el campo”, afirma el físico cuántico Mikhail Lukin, de la Universidad de Harvard. “Realmente se puede tocar y pinchar este estado exótico y manipularlo para comprender sus propiedades. Es un nuevo estado de la materia que la gente nunca ha podido observar”, agregó.
El trabajo
Los imanes normales presentan electrones cuyo espín está orientado en la misma dirección hacia arriba o hacia abajo, lo que genera el magnetismo. En los líquidos de espín cuántico, se introduce un tercer electrón, por lo que mientras los dos espines opuestos se estabilizan entre sí, el espín del tercer electrón desequilibra el sistema. Crea un imán “frustrado” donde los giros no pueden estabilizarse todos en una dirección.
Para producir su propio patrón de celosía, el equipo usó un simulador cuántico programable construido en 2017. El simulador usa un programa de computadora cuántica para mantener átomos en formas personalizadas como cuadrados, triángulos o panales usando láseres. Además, se puede usar para diseñar diferentes interacciones y procesos cuánticos.
El simulador utiliza rayos láser estrechamente enfocados para organizar los átomos individualmente. Al organizar los átomos de rubidio en una red con un patrón triangular, los investigadores pudieron producir un imán frustrado con propiedades de entrelazamiento cuántico, donde los cambios en un átomo se combinan en un segundo átomo enredado.
Las conexiones entre los átomos indicaron que efectivamente se había creado un líquido de espín cuántico. “Puedes separar los átomos tanto como quieras; puedes cambiar la frecuencia de la luz láser”, dijo el físico Subir Sachdev, de la Universidad de Harvard.
“Realmente puedes cambiar los parámetros de la naturaleza de una manera que no podrías en el material donde estas cosas se estudiaron antes”. Añadió. “Aquí, puedes mirar cada átomo y ver lo que está haciendo”.
Aplicaciones
Las computadoras cuánticas se basan en bits cuánticos (qubits), y se espera que los líquidos de espín cuántico ayuden en el desarrollo de qubits topológicos. Estos son qubits que están mejor protegidos contra el ruido y la interferencia externos.
Para una computadora cuántica, eso es muy importante. Estos sistemas suelen ser muy delicados y hacer que funcionen durante largos períodos de tiempo sin errores es uno de los mayores desafíos actuales.
Ahora que se han detectado líquidos de espín cuántico, debería ayudar a descubrir cómo hacer que los qubits sean lo más robustos posible. Aun así, hay mucho más por explorar, pero el trabajo es prometedor.