Una investigación revela al detalle la relación entre un electrón y su entorno

La búsqueda de nueva información sobre la relación de cada electrón con su entorno es una de las obsesiones de los especialistas en el campo de los ordenadores cuánticos, porque este conocimiento resultará vital para el diseño de dispositivos de almacenamiento de datos a escalas lo más pequeñas posibles, y con gran potencia de cálculo. Una investigación dirigida por un experto de la Escuela de Ingeniería de la Princeton University, de Estados Unidos, parece haber logrado un trascendente avance a este respecto.

Empleando láseres para acercarse a la compleja relación entre un electrón y su entorno, el avance obtenido por Hakan Tureci, profesor de ingeniería eléctrica en la Princeton University, y sus colaboradores, podría marcar un importante progreso en la comprensión del denominado estado o efecto Kondo.

Este fenómeno, estudiado en profundidad en física y nanotecnología, evidencia el comportamiento específico de ciertos conductores eléctricos a baja temperatura. Mientras en la mayoría de los casos la resistencia eléctrica de los metales disminuye con la temperatura, en determinadas condiciones y al incorporarse impurezas magnéticas, los metales pueden aumentar la resistencia a temperaturas extremadamente bajas.

El mencionado efecto, observado por primera vez en la década de 1930 y explicado 30 años después por el científico japonés Jun Kondo, ha permitido también a los especialistas determinar una relación entre los electrones que se conoce como "entrelazamiento cuántico", a través de la cual el estado cuántico de un electrón está ligado a los electrones vecinos, incluso si las partículas son posteriormente separadas por distancias considerables.

Hallazgo clave

La investigación de Tureci y sus colegas no solamente aporta pistas sobre este dilema de larga duración en la física teórica, sino que también brinda precisiones para avanzar en nuevas formas de almacenar información a escalas lo más pequeñas posibles, abriendo nuevos campos de gran potencia de cálculo en el marco de la computación cuántica.

El trabajo fue difundido a través de un reciente artículo en el medio Science Daily, y además se resumió en un informe publicado el 29 junio en la revista especializada Nature. Este informe recoge las comprobaciones empíricas de proyecciones teóricas previas sobre este tema.

Según Hakan Tureci, el hallazgo permite brindar precisiones sobre la “vida privada” de un único electrón. De acuerdo con el investigador, le ha llevado casi un siglo a la ciencia lograr el aislamiento, control y análisis mediante láseres de un electrón individual, en lo que constituiría para este especialista una “hazaña extraordinaria” en el campo de la teoría cuántica y la nanotecnología.

La investigación fue realizada por un equipo internacional de ingenieros y científicos de los Estados Unidos, Alemania y Suiza. Los principales investigadores, además de Tureci, fueron Atac Imamoglu, profesor del Swiss Federal Institute of Technology de Zurich, en Suiza; Jan von Delft, profesor de la Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) de Munich, Alemania, y Leonid Glazman, profesor de la Yale University de Estados Unidos.

Comprender el comportamiento de los electrones

¿Por qué dilucidar las implicancias del efecto Kondo es tan importante? Sucede que comprender la forma en la cual un electrón se “enreda” o entrelaza con su entorno permitiría superar varias de las barreras que han impedido, hasta hoy, un mayor desarrollo de la computación cuántica, desembocando en la creación de ordenadores mucho más potentes que los existentes en la actualidad.

Los métodos anteriores de observación han permitido a los científicos realizar mediciones del estado Kondo, pero sin obtener información sobre la forma en la que los electrones desarrollan su relación con el entorno. Para llegar a este punto, el equipo de Tureci se planteó el uso de un láser de electrones para analizar el fenómeno.

En primer término desarrollaron una teoría acerca de la utilidad de este dispositivo para obtener información sobre el proceso Kondo. Posteriormente, se propuso el empleo de dispositivos nanoestructurados para aislar a los electrones, atrapándolos en pequeños pozos. El aislamiento es limitado, ya que finalmente cada electrón se enreda en una nube de electrones que rodea el dispositivo.

Con posterioridad, las predicciones teóricas fueron confirmadas al proyectar un rayo láser sobre los dispositivos a escala nanométrica, extrayendo información que anteriormente no estaba disponible en los primeros experimentos sobre el efecto Kondo.

Este hallazgo podría permitir el desarrollo de nuevas formas de almacenar y procesar información, ya que los electrones “entrelazados” pueden desembocar en los denominados "qubits", las unidades de información básica de la computación cuántica capaces de aunar el 0 y el 1 que conforman los bits clásicos.