En 1966, El físico japonés Yosuke Nagaoka predijo la existencia de un fenómeno bastante sorprendente:el ferromagnetismo de Nagaoka. Su rigurosa teoría explica cómo los materiales pueden volverse magnéticos, con una salvedad:las condiciones específicas que describió no surgen naturalmente en ningún material. Investigadores de QuTech, una colaboración entre TU Delft y TNO, ahora han observado firmas experimentales del ferromagnetismo de Nagaoka utilizando un sistema cuántico diseñado. Los resultados se publicaron hoy en Naturaleza .

Los imanes familiares, como los de su refrigerador, son un ejemplo cotidiano de un fenómeno llamado ferromagnetismo. Cada electrón tiene una propiedad llamada 'espín', lo que hace que se comporte como un minúsculo imán. En un ferromagnet, los espines de muchos electrones se alinean, combinándose en un gran campo magnético. Esto parece un concepto simple, pero Nagaoka predijo un mecanismo novedoso y sorprendente por el cual podría ocurrir el ferromagnetismo, uno que no se había observado en ningún sistema antes.

Rompecabezas del niño

"Para comprender la predicción de Nagaoka, imagina el simple juego mecánico para niños llamado rompecabezas deslizante, "dijo JP Dehollain, quien realizó los experimentos junto con Uditendu Mukhopadhyay. "Este rompecabezas consta de una cuadrícula de mosaicos de cuatro por cuatro, con una única ranura vacía para permitir que las fichas se deslicen para resolver el rompecabezas. Próximo, Piense en el imán de Nagaoka como una celosía cuadrada bidimensional similar, donde cada mosaico es un electrón. Los electrones luego se comportan como las fichas en el juego de los niños, arrastrando los pies en el enrejado ".

Si los espines de los electrones no están alineados (es decir, cada mosaico tiene una flecha que apunta en una dirección diferente en nuestra analogía), los electrones formarán una disposición diferente después de cada mezcla. A diferencia de, si todos los electrones están alineados (todos los mosaicos tienen flechas que apuntan en la misma dirección), el rompecabezas siempre es el mismo, no importa cómo se barajen los electrones. "Nagaoka descubrió que la alineación de los espines de los electrones da como resultado una menor energía del sistema, "Dijo Dehollain." Como consecuencia, el sistema de un retículo cuadrado bidimensional al que le falta un electrón preferirá naturalmente estar en un estado en el que todos los espines de los electrones estén alineados, un estado ferromagnético de Nagaoka ".

Imán de bricolaje

Los investigadores observaron, por primera vez, firmas experimentales del ferromagnetismo de Nagaoka. Mukhopadhyay:"Logramos esto mediante la ingeniería de un dispositivo electrónico con la capacidad de 'atrapar' electrones individuales. Estos llamados dispositivos de puntos cuánticos se han utilizado en experimentos científicos desde hace un tiempo, pero nuestro desafío fue hacer una red bidimensional de cuatro puntos cuánticos que sea altamente controlable. Para que estos dispositivos funcionen, necesitamos construir un circuito eléctrico a escala nanométrica, enfríelo hasta casi el cero absoluto (-272,99 ° C), y medir pequeñas señales eléctricas ".

"Nuestro siguiente paso fue atrapar tres electrones y permitirles moverse dentro de la red de dos por dos, creando las condiciones específicas requeridas para el ferromagnetismo de Nagaoka, ", dijo Mukhopadhyay." Luego tuvimos que demostrar que esta red se comporta realmente como un imán. El campo magnético generado por tres electrones es demasiado pequeño para detectarlo con métodos convencionales. así que en su lugar usamos un sensor eléctrico muy sensible que podía "descifrar" la orientación de espín de los electrones y convertirla en una señal eléctrica que podríamos medir en el laboratorio. De esta manera pudimos determinar si los espines de los electrones estaban alineados como se esperaba ".

El rompecabezas resuelto

"Los resultados fueron muy claros:demostramos el ferromagnetismo de Nagaoka, "dijo Lieven Vandersypen, investigador principal y codirector del Instituto Kavli de Nanociencia. "Cuando comenzamos a trabajar en este proyecto, No estaba seguro de si el experimento sería posible, porque la física es muy diferente de cualquier otra cosa que hayamos estudiado en nuestro laboratorio. Pero nuestro equipo logró crear las condiciones experimentales adecuadas para el ferromagnetismo de Nagaoka, y hemos demostrado la robustez del sistema de puntos cuánticos ".

Si bien este sistema a pequeña escala está lejos de tener implicaciones en la vida cotidiana, es un hito importante hacia la realización de sistemas a gran escala, como las computadoras cuánticas y los simuladores cuánticos. Vandersypen:"Estos sistemas permiten el estudio de problemas que son demasiado complejos para resolver con la supercomputadora más avanzada de la actualidad, por ejemplo, procesos químicos complejos. Experimentos de prueba de principio, como la realización del ferromagnetismo de Nagaoka, proporcionan una guía importante para el desarrollo de computadoras cuánticas y simuladores del futuro ".