El sistema:una red cristalina hecha de luz atrapa átomos en varias láminas de dos capas. Las imágenes tomográficas muestran las densidades (de espín) en una sola capa. Proporcionan información sobre el orden magnético de los átomos. La imagen de la derecha muestra la densidad de una capa promediada sobre doce realizaciones (rojo anaranjado). Crédito:Marcell Gall, Nicola Wurz y otros / Nature
Son tan delgados como un cabello, sólo cien mil veces más delgados, los llamados materiales bidimensionales, que consta de una sola capa de átomos, han estado en auge en la investigación durante años. Se dieron a conocer a una audiencia más amplia cuando dos científicos ruso-británicos recibieron el Premio Nobel de Física en 2010 por el descubrimiento del grafeno. un bloque de grafito. La característica especial de estos materiales es que poseen propiedades novedosas que solo pueden explicarse con la ayuda de las leyes de la mecánica cuántica y que pueden ser relevantes para tecnologías mejoradas. Investigadores de la Universidad de Bonn (Alemania) ahora han utilizado átomos ultrafríos para obtener nuevos conocimientos sobre fenómenos cuánticos previamente desconocidos. Descubrieron que los órdenes magnéticos entre dos películas delgadas de átomos acopladas compiten entre sí. El estudio ha sido publicado en la revista Naturaleza .
Los sistemas cuánticos realizan estados de materia muy singulares que se originan en el mundo de las nanoestructuras. Facilitan una amplia variedad de nuevas aplicaciones tecnológicas, p.ej. contribuyendo a la encriptación segura de datos, introduciendo dispositivos técnicos cada vez más pequeños y rápidos e incluso permitiendo el desarrollo de una computadora cuántica. En el futuro, una computadora de este tipo podría resolver problemas que las computadoras convencionales no pueden resolver en absoluto o solo durante un largo período de tiempo.
La forma en que surgen los fenómenos cuánticos inusuales aún está lejos de entenderse completamente. Para arrojar luz sobre esto, un equipo de físicos dirigido por el profesor Michael Köhl en el Clúster de Excelencia Matter and Light for Quantum Computing de la Universidad de Bonn está utilizando los llamados simuladores cuánticos, que imitan la interacción de varias partículas cuánticas, algo que no se puede hacer con métodos convencionales. Incluso los modelos informáticos más modernos no pueden calcular procesos complejos como el magnetismo y la electricidad hasta el último detalle.
Los átomos ultrafríos simulan sólidos
El simulador utilizado por los científicos consta de átomos ultrafríos, ultrafríos porque su temperatura es sólo una millonésima de grado por encima del cero absoluto. Los átomos se enfrían mediante láseres y campos magnéticos. Los átomos están ubicados en redes ópticas, es decir, ondas estacionarias formadas por superposición de rayos láser. De esta manera, los átomos simulan el comportamiento de los electrones en estado sólido. La configuración experimental permite a los científicos realizar una amplia variedad de experimentos sin modificaciones externas.
El sistema:una red de cristal hecha de luz atrapa átomos en varias láminas de dos capas. Las imágenes tomográficas muestran las densidades (de giro) en una sola capa. Proporcionan información sobre el orden magnético de los átomos. La imagen de la derecha muestra la densidad de una capa promediada sobre doce realizaciones (rojo anaranjado). Crédito:© Marcell Gall, Nicola Wurz y otros / Nature
Dentro del simulador cuántico, los científicos tienen, por primera vez, logró medir las correlaciones magnéticas de exactamente dos capas acopladas de una red cristalina. "A través de la fuerza de este acoplamiento, pudimos rotar la dirección en la que se forma el magnetismo en 90 grados, sin cambiar el material de ninguna otra manera, "primeros autores Nicola Wurz y Marcell Gall, estudiantes de doctorado en el grupo de investigación de Michael Köhl, explicar.
Para estudiar la distribución de átomos en la red óptica, los físicos utilizaron un microscopio de alta resolución con el que pudieron medir las correlaciones magnéticas entre las capas reticulares individuales. De este modo, investigaron el orden magnético, es decir, la alineación mutua de los momentos magnéticos atómicos en el estado sólido simulado. Observaron que el orden magnético entre capas compitió con el orden original dentro de una sola capa, concluyendo que las capas más fuertes estaban acopladas, las correlaciones más fuertes formadas entre las capas. Al mismo tiempo, se redujeron las correlaciones dentro de las capas individuales.
Los nuevos resultados permiten comprender mejor el magnetismo que se propaga en los sistemas de capas acopladas a nivel microscópico. En el futuro, los hallazgos son para ayudar a hacer predicciones sobre las propiedades de los materiales y lograr nuevas funcionalidades de los sólidos, entre otras cosas. Ya que, por ejemplo, La superconductividad de alta temperatura está estrechamente relacionada con los acoplamientos magnéticos, los nuevos hallazgos podrían, a la larga, Contribuir al desarrollo de nuevas tecnologías basadas en dichos superconductores.
El Clúster de Excelencia de Materia y Luz para Computación Cuántica (ML4Q)
El Clúster de Excelencia Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) es una cooperación de investigación de las universidades de Colonia, Aquisgrán y Bonn, así como el Forschungszentrum Jülich. Está financiado como parte de la estrategia de excelencia de los gobiernos federal y estatal de Alemania. El objetivo de ML4Q es desarrollar nuevas arquitecturas informáticas y de redes utilizando los principios de la mecánica cuántica. ML4Q se basa y amplía la experiencia complementaria en los tres campos de investigación clave:física del estado sólido, óptica cuántica, y ciencia de la información cuántica.
El Clúster de Excelencia está integrado en el Área de Investigación Transdisciplinaria "Bloques de construcción de la materia e interacciones fundamentales" en la Universidad de Bonn. En seis TRA diferentes, Científicos de una amplia gama de facultades y disciplinas se unen para trabajar en temas de investigación relevantes para el futuro.
