Físicos de la Universidad de Aalto (Finlandia) han creado un nuevo material ultrafino de dos capas con propiedades cuánticas que normalmente requieren compuestos de tierras raras.

Este material, que es relativamente fácil de fabricar y no contiene metales de tierras raras, podría proporcionar una nueva plataforma para la computación cuántica y avanzar en la investigación sobre la superconductividad no convencional y la criticidad cuántica.

Los investigadores demostraron que, partiendo de materiales aparentemente comunes, puede aparecer un estado cuántico radicalmente nuevo de la materia. El descubrimiento surgió de sus esfuerzos por crear un líquido de espín cuántico que pudieran usar para investigar fenómenos cuánticos emergentes como la teoría de gauge. Esto implica la fabricación de una sola capa de disulfuro de tantalio atómicamente delgado, pero el proceso también crea islas que constan de dos capas.

Cuando el equipo examinó estas islas, descubrió que las interacciones entre las dos capas inducían un fenómeno conocido como efecto Kondo, que conducía a un estado de materia enmarañada macroscópicamente que producía un sistema de fermiones pesados.

El efecto Kondo es una interacción entre las impurezas magnéticas y los electrones que hace que la resistencia eléctrica de un material cambie con la temperatura. Esto da como resultado que los electrones se comporten como si tuvieran más masa, lo que hace que estos compuestos se llamen materiales de fermiones pesados. Este fenómeno es un sello distintivo de los materiales que contienen elementos de tierras raras.

Los materiales de fermiones pesados son importantes en varios dominios de la física de vanguardia, incluida la investigación de materiales cuánticos. «El estudio de materiales cuánticos complejos se ve obstaculizado por las propiedades de los compuestos naturales. Nuestro objetivo es producir materiales de diseño artificiales que se puedan ajustar y controlar externamente fácilmente para ampliar la gama de fenómenos exóticos que se pueden realizar en el laboratorio», dice en un comunicado el profesor Peter Liljeroth.

Por ejemplo, los materiales de fermiones pesados podrían actuar como superconductores topológicos, lo que podría ser útil para construir qubits que sean más robustos al ruido y las perturbaciones del entorno, reduciendo las tasas de error en las computadoras cuánticas. «Crear esto en la vida real se beneficiaría enormemente de tener un sistema de material de fermiones pesado que se pueda incorporar fácilmente a dispositivos eléctricos y sintonizar externamente», explica Viliam Vano, estudiante de doctorado en el grupo de Liljeroth y autor principal del artículo.

Aunque ambas capas del nuevo material son sulfuro de tantalio, existen diferencias sutiles pero importantes en sus propiedades. Una capa se comporta como un metal, conduciendo electrones, mientras que la otra capa tiene un cambio estructural que hace que los electrones se localicen en una red regular. La combinación de los dos da como resultado la aparición de una física de fermiones pesados, que ninguna de las capas exhibe sola.

Este nuevo material de fermiones pesados también ofrece una poderosa herramienta para probar la criticidad cuántica. «El material puede alcanzar un punto crítico cuántico cuando comienza a moverse de un estado cuántico colectivo a otro, por ejemplo, de un imán regular hacia un material de fermión pesado enredado», explica el profesor José Lado. «Entre estos estados, todo el sistema es crítico, reacciona con fuerza al más mínimo cambio y proporciona una plataforma ideal para diseñar materia cuántica aún más exótica».

«En el futuro, exploraremos cómo reacciona el sistema a la rotación de cada hoja en relación con la otra e intentaremos modificar el acoplamiento entre las capas para ajustar el material hacia el comportamiento crítico cuántico», dice Liljeroth.

Fuente: EP