Los científicos demuestran el control eléctrico de las transiciones de espín atómico.

27 de octubre de 2023

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por Tejasri Gururaj, Phys.org

Un nuevo estudio publicado en Nature Communications profundiza en la manipulación de transiciones de espín a escala atómica utilizando un voltaje externo, arrojando luz sobre la implementación práctica del control de espín a escala nanométrica para aplicaciones de computación cuántica.

Las transiciones de espín a escala atómica implican cambios en la orientación del momento angular intrínseco o espín de un átomo. En el contexto atómico, las transiciones de espín están típicamente asociadas con el comportamiento del electrón.

En este estudio, los investigadores se centraron en utilizar campos eléctricos para controlar las transiciones de espín. La base de su investigación fue serendipitosa y guiada por la curiosidad.

El Dr. Christian Ast, autor principal del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido, explicó a Phys.org: "Nuestra inspiración surgió de la mera curiosidad. Desarrollamos nuestra máquina y método experimental justo antes de comenzar este proyecto".

"Mientras estábamos caracterizando nuestro nuevo experimento, observamos algo extraño. Descubrimos que nuestra señal cambia dependiendo del voltaje de polarización que aplicamos en nuestra unión. El proyecto y la investigación posterior crecieron a partir de esta observación".

Los electrones poseen un espín intrínseco, que puede ser "arriba" o "abajo". Estos estados de espín se representan a menudo mediante números cuánticos, como +1/2 para "arriba" y -1/2 para "abajo". Cuando los electrones pasan de un estado de espín a otro, esto puede dar lugar a diversos efectos observables.

La manipulación de estos espines es fundamental para la computación cuántica, donde los espines de los electrones se utilizan como qubits, y para la espintrónica, que mejora el procesamiento y almacenamiento de datos. También tiene un impacto en la ciencia de materiales y la física fundamental, proporcionando avances tecnológicos y científicos.

En este estudio, la configuración experimental fue crucial para manipular los espines. En el centro del aparato se encontraba un microscopio de tunelamiento por resonancia de espín electrónico (ESR-STM). ESR-STM es un sistema híbrido que integra de manera fluida dos técnicas poderosas: ESR y STM. Con esta innovadora configuración, los átomos y las moléculas individuales se depositaron de manera precisa en la superficie de la muestra, ofreciendo una ventana única al mundo atómico.

El Dr. Ast explicó: "ESR-STM combina las capacidades de ESR y STM, lo que nos permite tanto resolver átomos y moléculas individuales en un escaneo topográfico como sondearlos con una corriente eléctrica".

Para la muestra, los investigadores eligieron estudiar moléculas individuales de hidruro de titanio (TiH). La clave del experimento radicaba en la aplicación estratégica de un voltaje de polarización entre la muestra y la punta del STM.

La aplicación de este voltaje de polarización indujo un potente campo eléctrico dentro de la unión de túnel, una estrecha separación formada entre la punta y la muestra, donde los electrones pueden atravesar.

Los investigadores observaron que el campo eléctrico inducido afectaba la posición de la molécula TiH, modificando posteriormente el factor g. El factor g, o factor de Landé, representa la proporcionalidad entre el momento angular intrínseco o espín de un electrón y su momento magnético, proporcionando información sobre su comportamiento en un campo magnético.

Además, observaron que el campo eléctrico inducido hizo que la molécula TiH interactuara con un campo magnético único, inducido por el espín polarizado de la punta del STM.

En esencia, el voltaje de polarización surgió como una poderosa herramienta para manipular las transiciones de espín.

Con este conocimiento como base, los investigadores se adentraron en el efecto Zeeman. El efecto Zeeman es el fenómeno en el que los niveles de energía de los estados de espín electrónico en moléculas individuales se dividen en presencia de un campo magnético.

"Al aplicar un campo magnético a nuestra unión de STM, podemos dividir los niveles de energía de dos estados de espín en las moléculas individuales (efecto Zeeman). A partir de aquí, podemos detectar cambios en nuestra corriente eléctrica si aplicamos frecuencias de radio (para ESR) que corresponden a la energía de resonancia de nuestros estados de espín. De ahí el nombre de resonancia de espín electrónico", explicó el Dr. Ast.

También demostraron el control eléctrico directo de las transiciones de espín en dímeros acoplados de TiH, que son pares de moléculas de TiH unidas entre sí. Esto fue posible gracias al acoplamiento espín-electrón, un fenómeno en el que los espines de los electrones interactúan entre sí. Esto reveló el potencial de aprovechar el comportamiento cooperativo de los estados de espín en estos dímeros.

Looking ahead to future research, Dr. Ast explained that his team already had several ideas. 'In our research, we've discovered that changes in spin resonances concerning the electric field are attributed to two factors: variations in the local magnetic field and alterations in the molecule's spin.'

'The exact reasons for these changes when modifying the electric field remain partially unexplained, warranting further investigation. This effect also holds promise for utilizing spin transitions as sensors to detect local electric fields within complex molecules,' he concluded.

This research could open the door for individual atoms to serve as spin qubits in quantum computers, offering a faster alternative to traditional mechanical manipulations. The ability to control spin locally and swiftly through electrical means holds promise for quantum computing applications, where speed is critical to prevent information loss due to decoherence.

Journal information: Nature Communications

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