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líquido de espín cuántico

20.12.2021

Un nuevo estado exótico de la materia, cuya posibilidad de existencia estaba teóricamente justificada hace más de 50 años, se obtuvo en condiciones de laboratorio por primera vez en la historia. Creado por investigadores de la Universidad de Harvard, este material se llama líquido de espín cuántico, y su estudio y uso posteriores crearán una serie de nuevas tecnologías que pueden tener un gran impacto en el desarrollo posterior de la computación y las comunicaciones cuánticas.

Para que cualquier material tenga propiedades magnéticas, se requiere que la rotación de los electrones de los átomos de este material esté alineada en una dirección. Se pueden observar tipos de magnetismo ligeramente diferentes cuando la rotación de electrones en un material se alterna como celdas de tablero de ajedrez; sin embargo, dichos materiales aún tienen propiedades magnéticas exóticas debido al orden de los espines de los electrones.

En 1973, el físico estadounidense Philip Anderson (Philip Anderson) planteó una hipótesis sobre la posibilidad de la existencia de un estado de la materia llamado líquido de espín cuántico, que no obedece a las reglas descritas anteriormente. Tal líquido surge cuando la materia se enfría a un estado en el que aún no se convierte en un cuerpo sólido y los electrones no ocupan una posición estrictamente especificada y, como resultado, no alinean sus espines en una dirección. En cambio, los giros de los electrones están en constante movimiento, todos se enredan entre sí, formando un estado cuántico único muy complejo.

Para crear un fluido de espín cuántico, los investigadores de Harvard utilizaron el llamado simulador cuántico, algo así como una computadora cuántica primitiva enfocada en resolver un solo problema. La base de este simulador son 219 átomos ubicados en los nodos de la cuadrícula de una trampa óptica creada con rayos láser. Además, con la ayuda de la luz de láseres adicionales, es posible controlar cada uno de los átomos, cambiando la dirección del espín de su electrón.

Los científicos colocaron los átomos en una trampa en forma de red, en cuyo entorno cada uno de los átomos tiene dos vecinos más cercanos. Un par de electrones pueden estabilizarse e igualar sus giros, pero la presencia de un electrón de un tercer átomo vecino altera el equilibrio, creando lo que los científicos llaman un "imán roto", un imán que no puede estabilizarse por sí solo.

Y como resultado, todos estos átomos formaron una cierta cantidad de líquido de espín cuántico, que tiene varias propiedades cuánticas útiles. Primero, los átomos del líquido están en un estado entrelazado, pueden influirse entre sí incluso a gran distancia, lo que puede usarse para teletransportar información cuántica. La segunda propiedad es que todos los átomos del líquido están en estado de superposición, es decir sus electrones pueden girar en dos direcciones a la vez. Ambas propiedades son las principales "peculiaridades" de la mecánica cuántica que se utilizan hoy en día para crear computadoras cuánticas.

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Otra característica del desarrollo, según el líder del equipo Park Jin-Hong (Park Jin-hong), fue el uso de "resistencia diferencial negativa". Esta es una propiedad de elementos individuales o nodos de circuitos eléctricos, que se manifiesta en la apariencia de la característica corriente-tensión de una sección donde la tensión disminuye al aumentar la corriente.

En su trabajo, los científicos de Corea del Sur utilizaron una modificación alotrópica de fósforo (fosforeno) y disulfuro de renio (ReS2). A diferencia de los semiconductores basados en binarios, su desarrollo es más eficiente energéticamente, requiere mucha menos energía y funcionará más rápido, dicen los científicos.

Esto eventualmente conducirá al desarrollo de nuevos esquemas de ahorro de energía que se utilizarán en dispositivos IoT y otras industrias asociadas con el procesamiento de grandes cantidades de datos. Recordemos que, según los analistas de Gartner, la cantidad de puntos de IoT en todo el mundo alcanzará los 2020 mil millones para 21. Según el Instituto de Investigación Genpact, se invertirán $ 2030 billones en el Internet industrial de las cosas para 60. Estas cifras alientan a los desarrolladores a desarrollar activamente nuevas tecnologías para esta industria.

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