Science publica un importante hallazgo en nanofísica con aporte de investigador del CONICET

Un novedoso descubrimiento en el campo de la nanofísica fue publicado hoy en Science, una de las revistas científicas más importantes del mundo. Se trata de un trabajo que describe cómo es posible medir y manipular el acople hiperfino de átomos magnéticos aislados en una superficie, que fue desarrollado por un equipo de físicos experimentales y teóricos de distintos países y que contó con el aporte de un investigador del CONICET.

El artículo, titulado Interacción hiperfina de átomos individuales en una superficie, presenta un experimento que posibilita la manipulación y el estudio – en la escala atómica – de metales como el hierro y el titanio, mediante el uso de un microscopio de efecto túnel. Este hallazgo tendrá aplicaciones para el desarrollo de las tecnologías cuánticas, que se proyectan como la próxima revolución en el campo de la informática.

Alejandro Ferrón es investigador adjunto del CONICET en el Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica (IMIT, CONICET – UNNE) y fue uno de los autores del artículo, que contó con la colaboración de científicos de Estados Unidos, Corea, Portugal, Suiza, Reino Unido y España. Desde su lugar de trabajo en la ciudad de Corrientes, se encargó de parte del desarrollo teórico del descubrimiento que se presenta en la publicación.

“En este caso, mi aporte consistió en contribuir a la explicación y al análisis de los resultados de los experimentos que se realizaron en un laboratorio de IBM, en California. Una vez realizadas las mediciones, el equipo de teóricos – del que formé parte junto con Joaquín Fernández-Rossier y José Luis Lado – analizó e interpretó lo que pasó con las mediciones de los átomos magnéticos sobre óxido de magnesio, que fueron realizadas con un microscopio de efecto túnel, un complejo equipo que es conocido como STM por sus siglas en inglés (Scanning Tunneling Microscope), combinado con técnicas de resonancia de espín electrónico, llamada ESR por Electron Spin Resonance”, detalla el investigador.

Lo novedoso de este nuevo trabajo es que, a diferencia de anteriores, los físicos fueron capaces de modificar el acople hiperfino de los átomos cambiando las condiciones de su ambiente. Normalmente, indica Ferrón, estas características no son de fácil manejo, pero esta técnica hace que sea posible ya que permite moverlos sobre la superficie y ubicarlos en distintas posiciones con precisión en la escala atómica, abriendo un nuevo campo para el desarrollo de nanoestructuras.

El experimento consistió en colocar átomos de hierro y de titanio sobre una doble capa de óxido de magnesio, depositada sobre plata. “Para poder lograrlo, se hicieron muchas mediciones que permitieron encontrar isotopos de estos átomos que tengan espín nuclear no nulo, algo que ocurre apenas en el 2 por ciento del hierro y el 13 por ciento del titanio, aproximadamente. El espín es, esencialmente, el momento angular intrínseco que tienen partículas como los electrones y los núcleos atómicos y en este caso, lo que buscábamos era encontrar la manera de analizar y manipular la interacción entre el espín electrónico y el espin nuclear del átomo”, explica Ferrón.

Por los resultados de los estudios preliminares y los cálculos estructurales realizados por los científicos teóricos, los experimentales sabían que, cuando se coloca el hierro sobre el óxido de magnesio, generalmente se acomoda sobre un átomo de oxígeno. El titanio, en cambio, puede depositarse sobre el oxígeno o también en una posición intermedia, a la que llaman puente.

“En las pruebas, colocaron el átomo de titanio sobre la posición puente, midieron con STM combinado con ESR la constante de acople hiperfino – a la que llamamos A y nos permite ver qué tan fuerte se acopla el espín nuclear al espín electrónico –, obteniendo A=47 MHz. Luego, utilizando la punta del STM, se logró desplazar el titanio desde la posición puente a la posición sobre el oxígeno y la constante disminuyó abruptamente a A=10 MHz. Lo que calculamos, junto al equipo de teóricos, es de qué manera los electrones se ubican en los distintos orbitales de esos átomos para entender por qué el acople hiperfino cambia tanto al pasar de una posición a otra”, detalla el investigador.

Los resultados obtenidos en este trabajo tendrán aplicaciones vinculadas, entre otras, al desarrollo de las tecnologías relacionadas a la información cuántica. “Uno de los mayores desafíos en el campo de la informática actual es diseñar una computadora cuántica que sea eficiente y barata. En una computadora clásica, la unidad de información es el bit y puede tener el valor de 1 o 0. Su equivalente cuántico opera con qubits, lo que quiere decir que pueden tener la combinación de valores: 0 0, 0 1, 1 0 y 1 1 al mismo tiempo. La idea es que esos 0 y esos 1 sean estados de sistemas cuánticos, que podrían ser las distintas proyecciones del espín. Por ejemplo, el espín electrónico o nuclear de los átomos magnéticos utilizados en estos experimentos”, adelanta.

Aunque los procesos que se requieren para guardar y leer información a través estos sistemas cuánticos están bastante claros para los científicos, aún no se logró el desarrollo de estructuras más complejas. Este experimento, según explican sus autores, muestra de qué manera es posible “manipular” el espín y abre el camino para seguir experimentando, en vistas a ese objetivo.

“Lo que vimos en este trabajo seguramente será parte de la tecnología con la que contarán los dispositivos que utilizaremos dentro de 20 años, que serán mucho más potentes y veloces que los que tenemos ahora. Además, los resultados también podrían tener otras aplicaciones más inmediatas en otros campos tecnológicos”, estima Ferrón.