Los vértices de esta red de panal representan sitios con dos posibles estados de giro. Una propiedad intrigante de este modelo es que un pulso magnético aplicado en la región sombreada de la izquierda provoca cambios de espín en las regiones sombreadas de la derecha, pero no en la parte central. Hasta ahora, el mecanismo por el cual la perturbación del espín cruzó la región media no estaba claro. Crédito:Akihisa Koga
Los científicos del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) y la Universidad Nacional de Yokohama (YNU) han descubierto el mecanismo peculiar por el cual las perturbaciones de espín viajan a través de una región aparentemente intransitable de un sistema líquido de espín cuántico. Esta nueva información puede representar otro bloque de construcción en la electrónica de próxima generación e incluso en las computadoras cuánticas.
Los dispositivos electrónicos tal como los conocemos están cerca de alcanzar sus límites teóricos, lo que significa que se requerirá una tecnología radicalmente nueva para obtener un mejor rendimiento o una mayor miniaturización. El problema es que la electrónica moderna se centra en la manipulación de corrientes eléctricas y, por lo tanto, se preocupa principalmente por la carga colectiva de los electrones en movimiento. Pero, ¿y si las señales y los datos pudieran codificarse y enviarse de una manera más eficiente?
Introduzca la espintrónica, un campo tecnológico emergente concebido para revolucionar la electrónica, y, con suerte, convertirse en un actor clave en el desarrollo de las computadoras cuánticas. En dispositivos espintrónicos, la característica más importante de los electrones es su espín, una propiedad intrínseca que puede verse en términos generales como su momento angular y que es la causa subyacente de los fenómenos magnéticos en los sólidos. Sin embargo, Los físicos de todo el mundo están luchando por encontrar formas prácticas de generar y transportar "paquetes giratorios" a través de materiales. En un estudio reciente, científicos de Tokyo Tech y YNU, Japón, llevó a cabo un análisis teórico de las características peculiares de transporte de espín de un sistema particular llamado modelo de Kitaev.
Este modelo bidimensional comprende una red de panal donde cada vértice alberga un giro. Lo que tiene de especial el sistema Kitaev es que, debido a las interacciones peculiares entre los giros, se comporta como un líquido de espín cuántico (QSL). En términos generales, esto significa que es imposible en este sistema que los giros se organicen de una manera única y óptima que "mantenga cada giro feliz". Este fenómeno, llamado frustración de giro, hace que los giros se comporten de una manera particularmente desordenada. Profesor Akihisa Koga, quien dirigió el estudio, dice:"El modelo de Kitaev es un campo de juego interesante para estudiar QSL. Sin embargo, no se sabe mucho acerca de sus intrigantes propiedades de transporte de espín ".
Un impulso magnético en el extremo izquierdo provoca excitaciones de espín allí debido a la variabilidad temporal de sus espines. Esto se convierte en el movimiento de las partículas de Majorana, que luego se transmiten a través del material a su borde opuesto. Crédito:Akihisa Koga
Una característica importante del modelo de Kitaev es que tiene simetrías locales; tales simetrías significan que los giros están correlacionados solo con sus vecinos más cercanos y no con giros lejanos, lo que implica que debería haber una barrera para el transporte de las vueltas. Sin embargo, en realidad, pequeñas perturbaciones magnéticas en un borde de un sistema Kitaev se manifiestan como cambios en los espines en el borde opuesto, aunque las perturbaciones no parecen provocar ningún cambio en la magnetización de la central, región más simétrica del material. Este intrigante mecanismo es lo que el equipo de científicos aclaró en su estudio, que se publica en Cartas de revisión física .
Aplicaron un campo magnético de impulso en un borde de un Kitaev QSL para activar el transporte de paquetes de espín y simularon numéricamente la dinámica en tiempo real que se desarrolló en consecuencia. Resulta que la perturbación magnética se transmite a través de la región central del material mediante fermiones de Majorana que viajan. Estas son cuasipartículas; no son partículas reales, pero aproximaciones precisas del comportamiento colectivo del sistema.
Notablemente, El transporte de espín mediado por Majorana no puede explicarse mediante la teoría clásica de ondas de espín, y por lo tanto justifica más estudios experimentales. Pero Koga tiene la esperanza del potencial de aplicación de los resultados de este estudio. Él dice, "Nuestros resultados teóricos deben ser relevantes en materiales reales, así como, y la configuración de nuestro estudio podría implementarse físicamente en ciertos materiales candidatos para los sistemas Kitaev ".
En su artículo, los científicos discuten posibles materiales, formas de crear las perturbaciones de espín, y enfoques experimentales para encontrar evidencia de que los fermiones de Majorana viajan a través de la mayor parte del material para alcanzar el otro borde. Incluso puede ser posible controlar el movimiento de los fermiones de Majorana estáticos (que no viajan) en el sistema, que podría ser de utilidad práctica.
