Un equipo de físicos dirigidos por la Universidad Aalto en Finlandia ha creado un nuevo material ultrafino de dos capas con propiedades cuánticas que normalmente requieren compuestos de tierras raras.
Este material, que es relativamente fácil de fabricar y no contiene metales de tierras raras, podría proporcionar una nueva plataforma para la computación cuántica y hacer avanzar la investigación sobre la superconductividad no convencional y la criticidad cuántica.
En detalle, los investigadores demostraron que, partiendo de materiales aparentemente comunes, puede aparecer un estado cuántico de la materia radicalmente nuevo.
El descubrimiento surgió de sus esfuerzos por crear un líquido de espín cuántico que pudieran utilizar para investigar fenómenos cuánticos emergentes como la teoría gauge. Se trata de fabricar una sola capa de disulfuro de tantalio atómicamente fina, pero el proceso también crea islas formadas por dos capas.
Cuando el equipo de la Universidad Aalto de Finlandia examinó estas islas, descubrió que las interacciones entre las dos capas inducían un fenómeno conocido como efecto Kondo, que conducía a un estado de materia macroscópicamente entrelazado que producía un sistema de fermiones pesados.
El efecto Kondo es una interacción entre impurezas magnéticas y electrones que hace que la resistencia eléctrica de un material cambie con la temperatura.
Esto hace que los electrones se comporten como si tuvieran más masa, por lo que estos compuestos se denominan materiales de fermiones pesados. Este fenómeno es una característica de los materiales que contienen elementos de tierras raras.
Los materiales de fermiones pesados son importantes en varios ámbitos de la física de vanguardia, incluida la investigación de materiales cuánticos.
“El estudio de los materiales cuánticos complejos se ve dificultado por las propiedades de los compuestos naturales”, afirma Peter Liljeroth, coautor del estudio, en un comunicado de prensa.
“Nuestro objetivo es producir materiales artificiales de diseño que puedan ser fácilmente sintonizados y controlados externamente para ampliar la gama de fenómenos exóticos que pueden realizarse en el laboratorio”.
Como ejemplo, Liljeroth mencionó que los materiales de fermiones pesados podrían actuar como superconductores topológicos, lo que podría ser útil para construir qubits más robustos al ruido y a las perturbaciones del entorno, reduciendo las tasas de error en los ordenadores cuánticos.
“Crear esto en la vida real se beneficiaría enormemente de tener un sistema de material de fermiones pesados que pueda incorporarse fácilmente a los dispositivos eléctricos y ajustarse externamente”, dijo Viliam Vaňo, estudiante de doctorado en el grupo de Liljeroth y autor principal del artículo.
Aunque ambas capas del nuevo material son de sulfuro de tantalio, hay diferencias sutiles pero importantes en sus propiedades. Una de las capas se comporta como un metal, conduciendo electrones, mientras que la otra tiene un cambio estructural que hace que los electrones se localicen en una red regular. La combinación de ambas da lugar a la aparición de la física de los fermiones pesados, que ninguna de las dos capas presenta por sí sola.
Este nuevo material de fermiones pesados también ofrece una poderosa herramienta para sondear la criticidad cuántica.
“El material puede alcanzar un punto crítico cuántico cuando empieza a pasar de un estado cuántico colectivo a otro, por ejemplo, de un imán normal a un material de fermiones pesados entrelazados”, explicó el Prof. José Lado, coautor del estudio.
“Entre estos estados, todo el sistema es crítico, reaccionando fuertemente al más mínimo cambio, y proporcionando una plataforma ideal para diseñar materia cuántica aún más exótica”.
En el futuro, exploraremos cómo reacciona el sistema a la rotación de cada hoja con respecto a la otra y trataremos de modificar el acoplamiento entre las capas para ajustar el material hacia un comportamiento cuántico crítico, dijo Liljeroth.
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