Descubren que los electrones pueden imitar un campo magnético que no existe

Un equipo internacional de científicos liderado por investigadores de la Universidad de Princeton, en Estados Unidos, ha descubierto que en la superficie de ciertos materiales las disposiciones colectivas de electrones pueden moverse como si imitaran la presencia de un campo magnético, aunque este campo no se encuentre presente.

Este movimiento constatado refleja uno de los fenómenos cuánticos más exóticos de la física de la materia condensada, el del efecto Hall cuántico. Hasta el momento, los científicos habían observado el efecto Hall cuántico en movimientos similares de electrones, pero estando éstos sometidos a campos magnéticos muy intensos y a muy bajas temperaturas.

El descubrimiento podría, además, allanar el camino hacia la fabricación de ordenadores cuánticos con la flexibilidad de operar a temperaturas moderadas, en contraposición a las bajas temperaturas estándar requeridas para los actuales dispositivos informáticos más potentes, informa la National Science Foundation (patrocinadora de la investigación) de Estados Unidos en un comunicado.

Obstáculos para la computación cuántica

El efecto Hall cuántico es un fenómeno exclusivo de ciertos materiales electrónicos, y supone que electrones obligados a moverse en las dos dimensiones de un plano, en presencia de un campo magnético potente y a temperaturas próximas al cero absoluto (-273°C), generen un voltaje que no aumenta proporcionalmente con la intensidad del campo, sino que lo hace a saltos o escalones.

Los valores de esos saltos de voltaje serían submúltiplos (es decir, 1/5, 1/4, 1/3, 1/2) de un voltaje fundamental relacionado con la constante cuántica de Planck y la carga del electrón.

Pero la utilidad del efecto Hall cuántico fraccionario para la electrónica cuántica (que permitiría producir un “tejido” que serviría para preservar información en el registro de las partículas) ha resultado improbable hasta ahora, dadas las bajísimas temperaturas y elevados campos magnéticos necesarios para su generación. Sin embargo, las cosas pueden cambiar.

Campo magnético fantasma

Hace algún tiempo, teóricos de la Universidad de Pennsylvania y de la Universidad de California en Berkeley propusieron que en ciertos materiales tridimensionales, las disposiciones colectivas de electrones podrían moverse para generar el efecto Hall cuántico, sin necesidad de potentes campos magnéticos o temperaturas demasiado bajas. Pero, para que esto ocurriera, señalaron entonces los científicos, los electrones deberían moverse a velocidades extremadamente elevadas.

Ahora, el físico de la Universidad de Princeton, Zahid Hasan, en colaboración con otros físicos de Estados Unidos, Suiza y Alemania, ha observado que los espines (momentos angulares de los electrones) de muchos electrones en movimiento dentro de un material exótico pueden sincronizarse, sin necesidad de campo magnético alguno ni velocidades extremas. El material en el que se produjo el “milagro” fue un bloque de antimonio y bismuto.

El experimento partió de la sospecha de que el comportamiento de los electrones del bismuto ligado al antimonio exhibirían un efecto cuántico que simularía la presencia de un campo magnético, porque estos electrones se mueven a muy grandes velocidades. Esto permitiría que el comportamiento cuántico predicho tuviera lugar.

Según declaró Hasan en el comunicado de la NSF , “el resultado es muy sorprendente porque estamos viendo electrones con un comportamiento muy similar al que tienen los electrones ante un campo magnético potente, sin que dicho campo se encuentre en el experimento”. En la revista Science ha aparecido publicado el artículo en el que se detalla el experimento.

Técnica basada en un acelerador

A grandes rasgos, para conseguir el movimiento sincronizado de los electrones, los investigadores utilizaron una técnica basada en un acelerador llamada "spin-resolved angle-resolved photoemission”, que permitió además medir simultáneamente la energía, la longitud de onda y el espín de los electrones en la superficie del material del experimento.

Según los científicos, el movimiento obtenido y registrado podría transformar la electrónica, el almacenamiento de datos y la computación.

La razón es que, además de la carga eléctrica, los electrones poseen propiedades magnéticas inherentes, y una capacidad interna de rotación que los hace comportarse como minúsculos imanes que contuvieran en sí el polo negativo y el positivo (esta propiedad fue bautizada por el físico británico Paul Dirac como “el espín cuántico”).

Hoy día, los ordenadores aplican una lógica simple de on-off, basada en el movimiento y almacenamiento de electrones en un semiconductor de silicio. Nuevos diseños podrían dirigir y aprovechar las capacidades adicionales que ofrecen el movimiento y el espín cuántico de los electrones, en materiales experimentales que reduzcan el consumo de energía y mejoren el rendimiento de los ordenadores.

Antecedentes

Tal y como publicamos anteriormente en Tendencias21 el efecto Hall cuántico también fue estudiado por un equipo de físicos del Weizmann Institute de Israel, en este caso para generar cuasipartículas (partículas con una carga eléctrica equivalente a una cuarta parte de la carga fundamental del electrón) a partir de arseniuro de galio.

Estas cuasipartículas con un cuarto de la carga del electrón actúan de manera muy distinta del resto de las partículas con carga no fraccionada, y por eso han sido buscadas como fundamento para la fabricación de un hipotético ordenador cuántico topológico de gran potencia, pero al mismo tiempo, altamente estable.

El ordenador cuántico es el sueño de todas las agencias de seguridad y de todos los hackers del mundo. Los bits de los ordenadores actuales oscilan constantemente entre el 0 y el 1 mientras llevan a cabo su trabajo. Pero, en los sistemas cuánticos partículas como el electrón o el fotón pueden presentar el 0 y el 1 a la vez, en un estado cuántico de superposición, permitiendo a los ordenadores hacer cálculos mucho más complejos, seguros y veloces que los que realizan actualmente.