Científicos fusionan dos materiales «imposibles» en un sándwich artificial
Científicos de Rutgers han creado una estructura cuántica inédita que podría revolucionar la computación cuántica y los sensores del futuro. Este avance, considerado «imposible» hasta ahora, combina materiales exóticos para abrir nuevas fronteras en la física.
Por Enrique Coperías
Científicos han desarrollado una máquina innovadora que permite crear estructuras con propiedades cuánticas. Esta máquina consta de dos cámaras: una para la síntesis de "sándwiches" cuánticos —ventana verde (derecha)— y otra para el análisis detallado de las propiedades de estos materiales —ventana ámbar (izquierda)—, todo ello sin exponerlos al aire.
Un equipo internacional dirigido por investigadores de la Universidad de Rutgers-New Brunswick, en Estados Unidos, ha fusionado dos materiales sintetizados en laboratorio en una estructura cuántica sintética cuya existencia se creía imposible. Es más, el resultado es una estructura exótica de la que se espera que aporte conocimientos que podrían conducir a nuevos materiales en el núcleo de la computación cuántica.
El trabajo, descrito en un artículo de portada de la revista Nano Letters, explica cómo cuatro años de experimentación continua condujeron a un novedoso método para diseñar y construir un diminuto sándwich único compuesto de distintas capas atómicas.
Una rebanada de la estructura microscópica está hecha de titanato de disprosio, un compuesto inorgánico utilizado en reactores nucleares para atrapar materiales radiactivos y contener elusivas partículas magnéticas monopolo.
Un sándwich exótico
La otra rebanada está compuesta de iridato de pirocloro, un nuevo semimetal magnético utilizado principalmente en la investigación experimental actual debido a sus características electrónicas, topológicas y magnéticas distintivas.
Por separado, ambos materiales suelen considerarse imposibles, debido a sus propiedades únicas, que desafían la comprensión convencional de la física cuántica.
La construcción de la exótica estructura sándwich sienta las bases para exploraciones científicas en lo que se denomina la interfaz, la zona donde se encuentran los materiales, en la escala atómica.
Materiales cuánticos bidimensionales artificiales
«Este trabajo proporciona una nueva forma de diseñar materiales cuánticos bidimensionales artificiales, con el potencial de impulsar las tecnologías cuánticas y proporcionar una visión más profunda de sus propiedades fundamentales de formas que antes eran imposibles», dice en una nota de prensa Jak Chakhalian, catedrático de Física Experimental del Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Letras y Ciencias de Rutgers e investigador principal del estudio.
Chakhalian y su equipo exploran un reino que sigue las leyes de la teoría cuántica, una rama de la física que describe el comportamiento de la materia y la energía a nivel atómico y subatómico.
En la mecánica cuántica es fundamental el concepto de dualidad onda-partícula, según el cual los objetos cuánticos pueden poseer propiedades tanto de onda como de partícula, un principio básico que subyace a tecnologías como el láser, la resonancia magnética y los transistores.
Imagen conceptual del nuevo material, con su estructura de sándwich compuesto de distintas capas atómicas, generada con Gemini.
Una rebanada de hielo de espín
Según Chakhalian, la creación de este sándwich cuántico único fue un reto técnico tan grande que el equipo tuvo que construir un nuevo dispositivo para lograrlo.
El instrumento, denominado Q-DiP, abreviatura de plataforma de descubrimiento de fenómenos cuánticos, se completó en 2023. Q-DiP incorpora un calentador láser infrarrojo con otro láser que permite construir materiales a nivel atómico, capa a capa. La combinación permite a los científicos explorar las propiedades cuánticas más intrincadas de los materiales hasta temperaturas ultrafrías cercanas al cero absoluto, esto es, −273,15 ºC.
«Por lo que sabemos, esta sonda es única en Estados Unidos y representa un gran avance instrumental», afirma Chakhalian.
La mitad del sándwich experimental, que es de titanato de disprosio (Dy₂Ti₂O₇ y Dy₂TiO₅), también conocido como hielo de espín, posee cualidades especiales. Los diminutos imanes de su interior, llamados espines, están dispuestos de una forma que se parece exactamente al patrón del agua congelada.
Otra rebanada de fermiones de Weyl
La estructura única de los diminutos imanes del hielo de espín les permite emerger como partículas especiales llamadas monopolos magnéticos.
Recordemos que un monopolo magnético es una partícula que actúa como un imán, pero con un solo polo: norte o sur, pero no ambos. Este objeto, predicho en 1931 por el premio nobel Paul Dirac (1902-1984), no existe en forma libre en el universo y, sin embargo, dentro del hielo de espín surge como resultado de las interacciones mecánicas cuánticas dentro del material.
En el otro lado del sándwich, el semimetal iridato de pirocloro (Eu2Ir2O7) también se considera exótico porque contiene diminutas partículas relativistas llamadas fermiones de Weyl. De nuevo, sorprendentemente, aunque predichas por Hermann Weyl en 1929, estas partículas exóticas, descubiertas en 2015 en cristales, se mueven como la luz y pueden girar de diferentes maneras: a izquierdas o a derechas.
Sus propiedades electrónicas son muy fuertes, y resisten a ciertos tipos de perturbaciones o impurezas, lo que las hace muy estables en dispositivos electrónicos.
Miembros del Laboratorio Chakhalian efectúan un experimento empleando Q-DiP, acrónimo de plataforma de descubrimiento cuántico. La sonda, singular en los Estados Unidos, representa un progreso significativo como desarrollo instrumental. Cortesía: Jeff Arban
Un caramelo para la computación cuántica
Como resultado, el iridato pirocloro puede conducir electricidad, responder de forma inusual a los campos magnéticos y mostrar efectos especiales cuando se expone a campos electromagnéticos.
Chakhalian afirma que las propiedades combinadas del nuevo material creado lo convierten en un candidato prometedor para su uso en tecnologías avanzadas, incluida la computación cuántica y especialmente para los sensores cuánticos de próxima generación.
«Este estudio supone un gran paso adelante en la síntesis de materiales y podría influir significativamente en la forma de crear sensores cuánticos y dispositivos espintrónicos avanzados», afirma Chakhalian en el comunicado de la Universidad Rutgers.
Un sándwich para la IA
La informática cuántica emplea los principios de la mecánica cuántica para procesar información. Los ordenadores cuánticos utilizan bits cuánticos o qubits, que existen en múltiples estados simultáneamente debido a un principio físico cuántico llamado superposición. Esto permite realizar cálculos complejos con mucha más eficacia que los ordenadores clásicos.
Las propiedades electrónicas y magnéticas específicas del material desarrollado por los investigadores pueden ayudar a crear estados cuánticos inusuales y estables, esenciales para la computación cuántica.
Cuando la tecnología cuántica se asiente en el mundo real, tendrá un impacto significativo en la vida cotidiana, ya que podría revolucionar el descubrimiento de fármacos y la investigación médica, así como mejorar operaciones, previsibilidad y ahorro de costes en finanzas, logística y fabricación.
También se espera que sándwich de iridato de pirocloro y titanato de disprosio revolucione los algoritmos de aprendizaje automático, haciendo más potentes los sistemas de inteligencia artificial (IA), concluyen los científicos. ▪️
Información facilitada por la Universidad Rutgers
Fuente: Mikhail Kareev, Xiaoran Liu, Michael Terilli, Fangdi Wen, Tsung-Chi Wu, Dorothy Doughty, Hongze Li, Jianshi Zhou, Qinghua Zhang, Lin Gu, and Jak Chakhalian. Epitaxial Stabilization of a Pyrochlore Interface between Weyl Semimetal and Spin Ice. Nano Letters (2025). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03969
