Un material magnético bidimensional que podría ser la base de una nueva forma de computación cuántica parece ser más estable de lo que aparentaba. Incluso tras la introducción de pequeñas perturbaciones en un modelo teórico que emula su comportamiento, este compuesto –que al superenfriarse presenta una fase exótica o estado cuántico de la materia denominada líquido de espines– conserva propiedades que podrían resultar esenciales para el funcionamiento de una computadora de este tipo.
Estas conclusiones constan en un artículo publicado en junio de este año por dos físicos brasileños en la revista científica Physical Review Letters. “En teoría, no estaba previsto que este modelo siguiera siendo válido cuando se producían ciertas perturbaciones en el sistema”, dice el físico Eric Andrade, de la Universidad de São Paulo (USP), autor principal del trabajo, también firmado por Vitor Dantas, su exalumno de maestría. “Pero observamos que el material puede soportar entre un 1 % y un 2 % de vacancias de electrones en su estructura y seguir manteniendo sus propiedades cuánticas”.
Las vacancias son espacios vacíos en ciertos puntos de conexión de la estructura interna de un material debido a la ausencia de electrones. En la práctica, los huecos causan que algunos enlaces atómicos sean más fuertes y otros más débiles. Este tipo de imperfección –o desorden–, utilizando la jerga de la disciplina, se produce en forma aleatoria en diversos materiales. Si su incidencia fuera muy elevada, puede llegar a alterar las propiedades del compuesto.
“En la naturaleza, los átomos de un material pueden ocupar posiciones erróneas. El hidrógeno [que forma parte de la fórmula del material estudiado] es un átomo muy liviano y escapa con cierta frecuencia de su lugar previsto”, comenta el físico Rodrigo Pereira, de la Universidad Federal de Rio Grande do Norte (UFRN), quien no participó en el estudio.
El material utilizado en las simulaciones fue un óxido de iridio (H3LiIr2O6) que presenta una estructura hexagonal en forma de colmena similar a la del grafeno. En los experimentos, este compuesto es uno de los dos que aportaron más indicios de comportarse como está previsto en el llamado modelo de Kitaev. Este concepto, propuesto en 2006 por el físico ruso Alexei Kitaev, actualmente profesor del Instituto de Tecnología de California (Caltech), prevé la existencia de la fase de líquido de espines en ciertos materiales 2D, cristales sólidos formados por una única capa de átomos, cuando son enfriados hasta temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15 ºC). “El modelo de Kitaev es sencillo, por eso trabajamos con él”, comenta Andrade.
Hasta la fecha, todavía no hay consenso entre los físicos sobre algún material que realmente pueda presentar la fase cuántica del líquido de espines, una idea propuesta hace casi 50 años, aunque existen varios candidatos prometedores. En ese estado, la disposición geométrica de los átomos de un material hace que los espines de los electrones no sigan un ordenamiento magnético específico. El espín es una propiedad cuántica intrínseca de los electrones y de otras partículas subatómicas que tiene influencia en su interacción con los campos magnéticos. Puede presentarse según dos configuraciones, que se representan como espín arriba (spin up) y abajo (spin down), o alternadamente arriba y abajo. Sin embargo, en la fase líquido de espines, el momento angular de los electrones no está fijo en una configuración, sino que queda fluctuando entre los diferentes ordenamientos (de ahí proviene la analogía con un líquido).
En este estado exótico de la materia, algunas propiedades cuánticas se acentuarían, un efecto beneficioso que quizá podría aprovecharse para el desarrollo de nuevas formas de computación. Entre estas propiedades, se destacan un fuerte grado de entrelazamiento cuántico y la presencia de análogos de los fermiones de Majorana, unas partículas subatómicas misteriosas, cuya existencia fue propuesta teóricamente, pero que nunca pudo comprobarse experimentalmente.
El entrelazamiento cuántico hace que dos o más partículas estén tan correlacionadas a tal punto que una determina lo que ocurre con la otra, aunque estén separadas por distancias enormes. Los fermiones de Majorana serían partículas cuánticas distintas a todas las conocidas. Al mismo tiempo, actuarían como partículas y antipartículas de sí mismas. Una partícula posee una masa igual a la de su antipartícula respectiva, pero con carga eléctrica opuesta. Es el caso, por ejemplo, del electrón (negativo) y del positrón (positivo). “La dualidad de los fermiones de Majorana podría ser una propiedad interesante para aprovecharla en la computación cuántica”, explica Pereira.
Desde la década de 1980, la idea de construir ordenadores capaces de utilizar las propiedades peculiares de la mecánica cuántica, como la superposición de estados y el entrelazamiento, para alcanzar un poder de procesamiento sin parangón, ha sido uno de los objetivos perseguidos aún sin resultados revolucionarios. Grandes empresas, entre ellas Google, Microsoft e IBM, han dado a conocer distintas versiones de computadoras cuánticas de uso restringido a ciertas tareas, casi siempre envueltas en misterio e incógnitas.
Las dificultades parten de una limitación aparentemente intrínseca de las propuestas de construcción de este tipo de máquinas: la falta de estabilidad y solidez de los ordenamientos cuánticos necesarios para su funcionamiento. Mínimos cambios en el ambiente, tales como un muy leve aumento de la temperatura o suaves vibraciones mecánicas, provocan errores en estos sistemas. “Si la fase de líquido de espines puede comprenderse cabalmente, tal vez podría ser útil para desarrollar computadoras cuánticas más estables”, dice Andrade.
Proyecto
Magnetos frustrados: anisotropía e inhomogeneidades (nº 19/17026-9); Modalidad Ayuda de Investigación – Regular; Investigador responsable Eric Andrade (USP); Inversión R$ 49.329,63.
Artículo científico
DANTAS. V. & amp.; ANDRADE. E.C. Disorder, Low-Energy Excitations, and Topology in the Kitaev Spin Liquid. Physical Review Letters. V. 129. n. 3. jul. 2022.
