Estudio descubre emparejamiento de electrones en átomos artificiales, un estado cuántico predicho hace más de 50 años

Investigadores del Departamento de Física de la Universität Hamburg han observado un estado cuántico que teóricos japoneses predijeron teóricamente hace más de 50 años, pero que hasta ahora ha eludido la detección. Al adaptar un átomo artificial en la superficie de un superconductor, los investigadores lograron emparejar los electrones del llamado punto cuántico, induciendo así la versión más pequeña posible de un superconductor. La obra aparece en la revista Naturaleza.

Normalmente, los electrones se repelen debido a su carga negativa. Este fenómeno tiene un gran impacto en las propiedades de muchos materiales, como la resistencia eléctrica. La situación cambia dramáticamente si los electrones se «pegan» en pares, convirtiéndose así en bosones. Los pares bosónicos no se evitan entre sí como los electrones individuales, pero muchos de ellos pueden residir en el mismo lugar o hacer el mismo movimiento.

Una de las propiedades más intrigantes de un material con tales pares de electrones es la superconductividad, la capacidad de permitir que una corriente eléctrica fluya a través del material sin ninguna resistencia eléctrica. Durante muchos años, la superconductividad ha encontrado muchas aplicaciones tecnológicas importantes, que incluyen imágenes de resonancia magnética o detectores altamente sensibles para campos magnéticos.

Hoy en día, la continua reducción de escala de los dispositivos electrónicos impulsa fuertemente las investigaciones sobre cómo se puede inducir la superconductividad en estructuras a nanoescala mucho más pequeñas.

Investigadores del Departamento de Física y del Clúster de Excelencia «CUI: Imagen Avanzada de la Materia» de la Universität Hamburg, llevaron a cabo el emparejamiento de electrones en un átomo artificial llamado punto cuántico, que es el bloque de construcción más pequeño de dispositivos electrónicos nanoestructurados.

Con ese fin, los investigadores dirigidos por el PD Dr. Jens Wiebe del Instituto de Nanoestructura y Física del Estado Sólido encerraron los electrones en pequeñas jaulas que construyeron con plata, átomo por átomo. Al acoplar los electrones bloqueados a un superconductor elemental, los electrones heredaron la tendencia de emparejamiento del superconductor.

Junto con un equipo de físicos teóricos de cúmulos, dirigido por el Dr. Thore Posske, los investigadores vincularon la firma experimental, un pico espectroscópico de muy baja energía, con el estado cuántico predicho a principios de la década de 1970 por Kazushige Machida y Fumiaki Shibata.

Aunque hasta ahora el estado ha evitado la detección directa mediante métodos experimentales, el trabajo reciente de investigadores en los Países Bajos y Dinamarca muestra que es beneficioso para suprimir el ruido no deseado en los qubits transmon, un componente esencial de las computadoras cuánticas modernas.

Kazushige Machida escribió al primer autor de la publicación, el Dr. Lucas Schneider: «Gracias por ‘descubrir’ mi antiguo artículo hace medio siglo. [a] Las impurezas de metales de transición no magnéticos han producido durante mucho tiempo el estado de brecha, pero la ubicación está muy cerca del borde de la brecha superconductora. [that] es imposible probar su existencia. Pero, a través de su ingenioso método, finalmente ha verificado experimentalmente si es cierto».