Es muy común la idea de que unidades sencillas se unen para formar estructuras más complicadas. Así, los átomos se juntan para formar moléculas, que a su vez se combinan formando células y éstas forman tejidos, dando lugar por último a seres vivos. En el mundo cuántico, este proceso puede ocurrir en dirección contraria, de forma que la interacción entre partículas complejas da lugar a partículas más sencillas. Así, en ciertas circunstancias, la interacción entre electrones, partículas indivisibles con carga eléctrica e, dar lugar a la emergencia de partículas con carga e/3. Este fenómeno se conoce como fraccionamiento.
Magia cuántica: fraccionando espines
Todas las partículas elementales poseen propiedades intrínsecas como masa o carga, que resultan intuitivas, y otras como el espín, que podemos visualizar como una brújula. A diferencia de las brújulas normales, que pueden apuntar en cualquier dirección, el espín de los sistemas cuánticos está cuantizado, y únicamente puede tomar un conjunto discreto de valores. Por ejemplo, decimos que el espín del electrón es ½ y puede tomar únicamente dos valores. Partículas con espín 1 pueden tomar tres valores.
En los años 80 el físico inglés Duncan Haldane construyó un modelo matemático para partículas de espín 1 en el que se producía el fraccionamiento de los espines. Así, una cadena unidimensional de partículas indivisibles de espín 1, interactuando con sus vecinas, daba lugar a la aparición de partículas de espín ½ en los bordes de la cadena. Igual que el truco de magia en el que el mago que corta en dos mitades a una persona y las separa, el modelo de Haldane permite fraccionar espines 1 y separarlos. Se trata de uno de los modelos centrales del magnetismo cuántico, un trabajo que le valió el premio Nobel en 2016.
Cadenas unidimensionales de moléculas magnéticas de grafeno
La verificación experimental de esta predicción era complicada por varios motivos, empezando por el hecho de que no existen materiales unidimensionales. Había evidencia indirecta del fenómeno de fraccionamiento del espín en materiales organometálicos que contienen cadenas de átomos magnéticos, pero faltaba una observación directa. Ahora, sin embargo, esa observación ha sido llevada a cabo por un equipo internacional de investigadores, entre los que se encuentra el investigador Ikerbasque David Jacob, del Departamento de Polímeros y Materiales Avanzados: Física, Química y Tecnología de la Facultad de Química de la UPV/EHU, que ha colaborado en este trabajo con el INL, la Universidad de Alicante, el EMPA en Zurich y la Universidad de Dresde.
Para conseguir este difícil logro, los investigadores han combinado técnicas de química orgánica con ciencia de superficies en ultra-alto vacío para sintetizar moléculas de grafeno con espín 1 que forman cadenas unidimensionales. Usando un microscopio de efecto túnel los investigadores han podido estudiar los estados cuánticos de la cadena depositada en una superficie de oro, con resolución atómica, compararlos con los predichos por la teoría, y establecer que en efecto el sistema se comporta como el modelo de Haldane. En particular, en cadenas con un número suficientemente alto de moléculas magnéticas, los investigadores encontraron en los extremos de la cadena resonancias Kondo, un fenómeno que ocurre cuando partículas de espín ½ interactúan con los electrones de un conductor como el oro.
De cadenas unidimensionales a redes bidimensionales y ordenadores cuánticos
Los investigadores afirman que este trabajo “muestra el potencial para usar nanografenos para formar redes bidimensionales de nanoimanes que permitan comprobar predicciones análogas a las de Haldane, como por ejemplo la existencia de estados cuánticos que permitirían realizar la computación cuántica”.
Para más información: DOI: 10.1038/s41586-021-03842-3
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