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Física

El bamboleo de las partículas

Electrones esenciales para la creación de las computadoras cuánticas ahora son mejor entendidos

EDUARDO CESAREl conocimiento de los obstáculos que surgen a lo largo del trayecto es tan importante como alcanzar la línea de llegada en la carrera destinada a proyectar una forma eficiente de computadora cuántica, una máquina capaz de utilizar las propiedades de las partículas fundamentales de la materia para hacer cálculos mucho más rápido que las computadoras convencionales. Esto es lo que sugiere el trabajo de físicos brasileños que estudian una característica de las partículas atómicas denominada spin giro en inglés, que en el caso de las partículas de carga negativa (los electrones) puede describirse, si bien que con cierta imprecisión, como el sentido de giro sobre su propio eje.

Investigando esta propiedad de los electrones, el equipo del físico José Carlos Egues, de la Universidad de São Paulo (USP) en São Carlos, descubrió recientemente una interacción entre esta partícula y el camino que recorre, que puede afectar el control del spin, una de las tecnologías la spintrónica  imaginadas para el desarrollo de una electrónica no convencional útil para la computación cuántica. Simultáneamente, el grupo del ingeniero eléctrico Gilberto Medeiros-Ribeiro, del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS), con sede en Campinas, está probando experimentalmente el control del spin de electrones en diferentes componentes que a lo mejor un día llegan a integrar esas computadoras del futuro.

En las computadoras actuales las usadas en casa o en el trabajo la información es codificada en unidades llamadas bits, representadas por los números 0  y 1, que representan la ausencia o presencia de corriente eléctrica. Por analogía, la unidad básica de la computación cuántica es el bit cuántico o qubit, que puede ser codificado en el spin de los electrones. Aunque los electrones no son esferas se parecen más a puntos, sin dimensión espacial, se asume que giran en torno de su propio eje como un trompo. Dependiendo del sentido de rotación, se dice que el spin es up (para arriba) o down (para abajo), el equivalente al 0  y al 1 de las computadoras tradicionales.

Pero las semejanzas terminan por ahí. De acuerdo con la mecánica cuántica, parte de la física que explica el comportamiento de las partículas subatómicas, cada electrón puede al mismo tiempo girar hacia abajo y hacia arriba y también en todos los otros sentidos, como si asumieran simultáneamente los valores 0 y 1  y todos los intermedios, como el 0,23 ó el 0,65 u otros es los que los físicos denominan superposición de estados cuánticos. Solamente se conoce como cierto el sentido de rotación o el valor del spin en el momento en que se lo mide. Esta característica hace del spin de los electrones una base interesante para la computación cuántica, toda vez que, si fuera controlada, la superposición de estados aumentaría exponencialmente la capacidad de hacer cálculos cada qubit sería capaz de operar con mucha más información que los bits clásicos. En condiciones ideales, algunas centenas de qubits podrían codificar más información que el número de partículas elementales de todo el Universo.

Pese a ese potencial astronómico, el valor práctico de la computación cuántica todavía debe ser palmariamente demostrado. Las aplicaciones tardarán en llegar. Por ahora es un error conceptual decir que la computadora cuántica será buena para todo y superará a las computadoras clásicas en cualquier tarea, explica Egues. Hasta ahora, las ventajas se ciñen a problemas bien específicos, como la comprensión de los fenómenos cuánticos de la física  y la biología o el desarrollo de formas más seguras de codificación de la información (criptografía).

Giro bajo control
El desafío es transformar esas posibles aplicaciones en realidad. En el caso de la spintrónica, la dificultad abarca tanto la inducción del spin deseado en los electrones de determinado material como impedir que, cuán un trompo tambaleante, terminen oscilando y asumiendo el spin opuesto. Según Egues, la primera demostración sólida de que era posible enfrentar la inestabilidad del spin surgió en 1999, de un trabajo de David Awschalom, de la Universidad de California en Santa Bárbara, Estados Unidos.

Con base en ese resultado, comenzó una carrera para aumentar ese control  y dominar la inversión del spin hacerlo pasar de up a down, lo que equivaldría a una operación con un único qubit. Uno de los factores que dificultan ese control es la sutil variación de temperatura del material donde están los electrones en el mundo atómico, la temperatura corresponde al nivel de agitación de las partículas, lo que significa que incluso en un sólido las mismas nunca están totalmente inmóviles.

Esta agitación interfiere en la trayectoria que el electrón recorre alrededor de los átomos  y puede modificar su spin es la llamada interacción spin-órbita, un camino de doble mano, toda vez que tanto la trayectoria afecta al spin como lo contrario. En un trabajo publicado en 2007 en la revista Physical Review Letters, Egues y sus colaboradores identificaron una nueva forma de interacción entre el spin del electrón y la órbita del propio electrón un efecto con influencia pequeña, pero significativa, sobre el bamboleo de los electrones. Estas interacciones entre spin  y órbita también pueden ser buenas, pues permiten manipular el spin de la manera deseada y controlar la trayectoria de los electrones, dice el físico de la USP.

En otro trabajo de 2007, publicado en Physical Review B, el grupo de Egues, en asociación con Fabricio Souza, actualmente investigador de la Universidad de Brasilia, demostró teóricamente que es posible construir un dispositivo capaz de seleccionar los electrones según el spin que presentan en determinado momento el llamado diodo de corriente de spin, útil para la realización de operaciones computacionales que involucren el control de la rotación de esas partículas. Los diodos de spin, construidos experimentalmente este año por investigadores de la Universidad Johns Hopkins, en Estados Unidos, dejan pasar únicamente electrones con idéntico sentido de rotación, funcionando así como un filtro, de modo análogo a los diodos de la electrónica convencional, que solamente dejan pasar electricidad en un sentido.

La era del diamante
Aunque muchos trabajos operen con el control de electrones en materiales tales como el silicio, ampliamente usado en las computadoras tradicionales, en algunos estudios se evalúa el empleo de alternativas más exóticas, como el diamante. Éste en general es considerado un material aislante puesto que no permite el movimiento ni el manipuleo de electrones, pero en determinadas circunstancias puede funcionar como un excelente semiconductor. Para ello, basta con que existan impurezas entre los átomos de carbono existan, como los son los átomos de nitrógeno. Cada átomo de nitrógeno reemplaza a dos de los seis átomos de carbono que componen la estructura interna en forma de tetraedro del diamante. Esta sustitución deja el espacio de un carbono vacante es el llamado centro de vacancia y permite el manipuleo de los electrones de nitrógeno.

Usando microondas, Gilberto Medeiros-Ribeiro y Thiago Alegre, de la Universidad Estadual de Campinas, lograron controlar experimentalmente el spin de los electrones en esos centros de vacancia, tal como lo describieron en un artículo de 2007 en Physical Review B. Conociendo espacialmente la impureza del diamante, es posible determinar el cambio de estado de spin, comenta el investigador del LNLS. Se espera que el control de este fenómeno permita en el futuro usar dichas estructuras para realizar operaciones computacionales.

Sin embargo, Medeiros-Ribeiro recomienda cautela ante lo poco que se sabe sobre los mecanismos básicos de la computación cuántica. Con cada problema vencido, aparece otro. Los obstáculos son difíciles de sortear y existen límites fundamentales ante lo que podemos hacer que aún no son bien comprendidos, dice. Para Egues, las incógnitas muestran la fertilidad científica de este campo: Si supiéramos adónde va a parar esto, no habría tantos grupos estudiando estos problemas.

Los proyectos
1.
Interacciones magnéticas  y transporte electrónico spin polarizado en puntos cuánticos magnéticos (nº 07/05783-2); Modalidad Auxilio regular a proyecto de investigación; Coordinador José Carlos Egues de Menezes – IFSC; Inversión R$ 93.343,20 (FAPESP)
2. Materiales nanoestructurados investigados por microscopías de tunelaje y fuerza atómica a través de medidas de transporte (nº 98/14757-4); Modalidad Programa Joven Investigador; Coordinador Gilberto Medeiros Ribeiro – LNLS; Inversión R$ 587.417,83 (FAPESP)

Artículos científicos
BERNARDES, E. et al. Spin-Orbit Interaction in Symmetric Wells with Two Subbands. Physical Review Letters.  v. 99. 2007.
ALEGRE, T.P.M. et al. Polarization-selective excitation of nitrogen vacancy centers in diamond. Physical Review B. v. 76. 2007.

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