En 1966, al físico japonés Yosuke Nagaoka se le ocurrió la idea de un nuevo mecanismo inusual que podría causar ferromagnetismo – El fenómeno que alimenta los imanes tal como los conocemos.
Su idea tenía sentido teóricamente, pero nunca se ha observado en materiales naturales. Ahora, tenemos nuestros primeros signos de que suceda en el laboratorio.
Una vez más estamos en deuda con la física cuántica por el descubrimiento. Los científicos fueron capaces de generar lo que llaman "firmas experimentales" del ferromagnetismo de Nagaoka (como se le llamó) en un sistema eléctrico cuántico estrictamente controlado y hecho a medida.
Si bien es demasiado pronto para usar esta nueva configuración de magnetismo prácticamente, lo que hace que el hallazgo sea emocionante es la indicación de que la predicción de 54 años de Nagaoka es correcta; y eso podría tener un gran impacto en cómo se desarrollan los sistemas cuánticos del futuro.
"Los resultados fueron claros como el cristal: demostramos el ferromagnetismo de Nagaoka" dice el físico cuántico Lieven Vandersypen, de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos.
"Cuando comenzamos a trabajar en este proyecto, no estaba seguro de si el experimento sería posible, porque la física es muy diferente de cualquier otra cosa que hayamos estudiado en nuestro laboratorio".
La forma más sencilla de pensar sobre el ferromagnetismo de Nagaoka es como un juego de rompecabezas para niños, el que tiene bloques deslizantes que tienes que poner en una imagen o patrón. En esta analogía, cada bloque es un electrón con su propio giro o alineación.
Cuando los electrones se alinean en una dirección, se crea un campo magnético. Nagaoka describió una especie de versión ideal del ferromagnetismo itinerante, que es donde los electrones son libres de moverse pero el material permanece magnético.
En la versión de Nagaoka del juego de rompecabezas, todos los electrones están alineados en la misma dirección, lo que significa que, sin embargo, los bloques del rompecabezas se barajan, el magnetismo del sistema en su conjunto se mantiene constante.
Debido a que mezclar los electrones (o las fichas de rompecabezas) no hace ninguna diferencia en la configuración general, el sistema requiere menos energía.
Ferromagnetismo de Nagaoka en forma de rompecabezas, con todos los giros alineados a la derecha. (Scixel de Groot para QuTech)
Para mostrar el ferromagnetismo de Nagaoka en acción, los científicos construyeron una red 2D, dos por dos, compuesta de puntos cuánticos, pequeñas partículas semiconductoras que tienen el potencial de formar la próxima generación de computadoras cuánticas.
Todo el sistema se enfrió hasta cerca del cero absoluto (-272.99 ° C o -459.382 ° F), luego quedaron atrapados tres electrones en su interior (dejando un 'bloque de rompecabezas' vacío). El siguiente paso fue demostrar que la red se comportaba como un imán como Nagaoka sugirió que podría.
"Utilizamos un sensor eléctrico muy sensible que podía descifrar la orientación del giro de los electrones y convertirlo en una señal eléctrica que podríamos medir en el laboratorio". dice el físico cuántico Uditendu Mukhopadhyay, de la Universidad Tecnológica de Delft.
El sensor mostró que el sistema de puntos cuánticos súper pequeño y súper delicado alineó los espines de electrones como se esperaba, prefiriendo naturalmente el estado de energía más bajo.
Teniendo previamente descrito Como uno de los problemas más difíciles en la física, es un gran paso adelante en nuestra comprensión del magnetismo y la mecánica cuántica, lo que demuestra que una idea de larga data sobre cómo funciona el ferromagnetismo en la nanoescala es realmente correcta.
Más adelante, el descubrimiento debería ayudar en el desarrollo de nuestro propio computadoras cuánticas, dispositivos capaces de realizar cálculos más allá del alcance de nuestra tecnología actual.
"Tales sistemas permiten el estudio de problemas que son demasiado complejos para resolver con la supercomputadora más avanzada de la actualidad, por ejemplo, procesos químicos complejos". dice Vandersypen.
"Los experimentos de prueba de principio, como la realización del ferromagnetismo de Nagaoka, proporcionan una guía importante para el desarrollo computadoras cuánticas y simuladores del futuro ".
La investigación ha sido publicada en Naturaleza.