Manipulando estados cuánticos: una nueva vía

Los electrones tienen un momento angular intrínseco, el llamado espín, lo que significa que pueden alinearse a lo largo de un campo magnético, como una aguja de brújula. Además de la carga eléctrica de los electrones, que determina su comportamiento en los circuitos electrónicos, su espín se utiliza cada vez más para almacenar y procesar datos. Ya se pueden comprar elementos de memoria MRAM (memorias de acceso aleatorio magnéticas), en los que la información se almacena en imanes muy pequeños pero todavía clásicos, es decir, que contienen muchos espines electrónicos. Los MRAM se basan en corrientes de electrones con espines alineados en paralelo que pueden cambiar la magnetización en un punto particular de un material.

Pietro Gambardella y sus colaboradores de la ETH Zurich ahora muestran que estas corrientes polarizadas en espín también se pueden utilizar para controlar los estados cuánticos de los espines de los electrones individuales. Sus resultados, que acaban de publicarse en la revista científica Science, podrían utilizarse en el futuro en diferentes tecnologías, por ejemplo, en el control de estados cuánticos de cúbits.

Corrientes de túnel en moléculas individuales

“Tradicionalmente, los espines electrónicos se manipulan utilizando campos electromagnéticos como las ondas de radiofrecuencia o las microondas”, dice Sebastian Stepanow, científico senior en el laboratorio de Gambardella. Esta técnica, también conocida como resonancia paramagnética electrónica, se desarrolló ya a mediados de la década de 1940 y desde entonces se ha utilizado en diferentes campos como la investigación de materiales, la química y la biofísica. “Hace unos años, se demostró que se puede inducir resonancia paramagnética electrónica en átomos individuales; sin embargo, hasta ahora el mecanismo exacto para esto ha sido poco claro”, dice Stepanow.

Para estudiar más de cerca los procesos mecánico-cuánticos que se esconden detrás de este mecanismo, los investigadores prepararon moléculas de pentacene (un hidrocarburo aromático) sobre un sustrato de plata. Una fina capa aislante de óxido de magnesio se había depositado previamente sobre el sustrato. Esta capa asegura que los electrones de la molécula se comporten más o menos como lo harían en el espacio libre.

Utilizando un microscopio de efecto túnel, los investigadores caracterizaron primero las nubes de electrones en la molécula. Esto implica medir la corriente que se crea cuando los electrones túnel cuánticamente desde la punta de una aguja de tungsteno hasta la molécula. Según las leyes de la física clásica, los electrones no deberían ser capaces de saltar a través de la brecha entre la punta de la aguja y la molécula porque carecen de la energía necesaria. Sin embargo, la mecánica cuántica permite que los electrones “túneles” a través de la brecha a pesar de esa falta, lo que lleva a una corriente medible.

Imán en miniatura en la punta de una aguja

Esta corriente de túnel puede polarizarse en espín utilizando primero la punta de tungsteno para recoger algunos átomos de hierro, que también se encuentran en la capa aislante. En la punta, los átomos de hierro crean una especie de imán en miniatura. Cuando una corriente de túnel fluye a través de este imán, los espines de los electrones en la corriente se alinean todos en paralelo a su magnetización.

Ahora, los investigadores aplicaron un voltaje constante y un voltaje de oscilación rápida a la punta de tungsteno magnetizada, y midieron la corriente de túnel resultante. Al variar la intensidad de ambos voltajes y la frecuencia del voltaje oscilante, pudieron observar resonancias características en la corriente de túnel. La forma exacta de estas resonancias les permitió sacar conclusiones sobre los procesos que se produjeron entre los electrones de túnel y los de la molécula.

Control de espín directo por corrientes polarizadas

A partir de los datos, Stepanow y sus colegas pudieron obtener dos ideas. Por un lado, los espines de los electrones en la molécula de pentacene reaccionaron al campo electromagnético creado por el voltaje alterno de la misma manera que en la resonancia paramagnética electrónica ordinaria. Por otro lado, la forma de las resonancias sugirió que había un proceso adicional que también influía en los espines de los electrones en la molécula.

“Ese proceso es el llamado par de transferencia de espín, para el que la molécula de pentacene es un sistema modelo ideal”, dice el estudiante de doctorado Stepan Kovarik. El par de transferencia de espín es un efecto en el que el espín de la molécula cambia bajo la influencia de una corriente polarizada en espín sin la acción directa de un campo electromagnético. Los investigadores de la ETH demostraron que también es posible crear estados de superposición mecánico-cuánticos del espín molecular de esta manera. Tales estados de superposición se utilizan, por ejemplo, en tecnologías cuánticas.

“Este control de espín por corrientes polarizadas en espín a nivel cuántico abre diversas posibilidades de aplicación”, dice Kovarik. A diferencia de los campos electromagnéticos, las corrientes polarizadas en espín actúan de forma muy local y se pueden dirigir con una precisión de menos de un nanómetro. Dichas corrientes podrían utilizarse para dirigir elementos de circuitos electrónicos en dispositivos cuánticos con mucha precisión y, por lo tanto, por ejemplo, controlar los estados cuánticos de los cúbits magnéticos.