Ilustración del artista que muestra la excitación magnética de moléculas de cobalto-ftalocianina, mientras los electrones entrelazados se difunden en triplones. Crédito: José Lado/Universidad Aalto

Un grupo de investigación detecta por primera vez una onda de entrelazamiento cuántico utilizando mediciones en el espacio real.

Los triblons son pequeñas cosas complicadas. Experimentalmente, es muy difícil de observar. Incluso entonces, los investigadores suelen realizar pruebas en materiales microscópicos, donde las mediciones se expresan como un promedio de toda la muestra.

Aquí, los materiales cuánticos diseñados ofrecen una ventaja única, dice el investigador académico Robert Droste, primer autor de un artículo publicado el 22 de agosto en la revista Science. Cartas de revisión física. Estos materiales cuánticos diseñados permiten a los investigadores crear fenómenos que no se encuentran en los compuestos naturales, lo que eventualmente permitirá la realización de excitaciones cuánticas exóticas.

«Estos materiales son muy complejos. Ofrecen una física muy interesante, pero los más exóticos también son muy difíciles de encontrar y estudiar. Estamos tratando de adoptar un enfoque diferente aquí, construyendo un material sintético utilizando componentes individuales».

Interacciones electrónicas en materiales cuánticos.

Los materiales cuánticos sufren interacciones entre electrones a nivel microscópico. Estas correlaciones electrónicas dan lugar a fenómenos inusuales como la superconductividad a altas temperaturas o estados magnéticos complejos, y las correlaciones cuánticas dan lugar a nuevos estados electrónicos.

Si hay dos electrones, hay dos estados entrelazados conocidos como estado único y estado triple. Proporcionar energía a un sistema de electrones puede excitarlo del estado único al estado triple. En algunos casos, esta excitación puede propagarse a través de una sustancia en una onda entrelazada conocida como triplón. Estas excitaciones no existen en los materiales magnéticos convencionales, y medirlas sigue siendo un desafío abierto en los materiales cuánticos.

Experiencias Triblón

En el nuevo estudio, el equipo utilizó pequeñas partículas orgánicas para crear un material cuántico artificial con propiedades magnéticas inusuales. Cada una de las moléculas de cobalto-ftalocianina utilizadas en el experimento tiene dos electrones límite.

«Utilizando componentes moleculares muy simples, hemos podido diseñar y explorar este complejo imán cuántico de una manera que no se había hecho antes, revelando fenómenos que no existen en sus partes independientes», dice Drost. «Aunque durante mucho tiempo se han observado excitaciones magnéticas en átomos aislados mediante espectroscopía de efecto túnel, esto nunca se ha logrado utilizando tribolones difusos».

«Usamos estas partículas para agrupar electrones, colocarlos en un espacio estrecho y obligarlos a interactuar», continúa Droste. «Si miramos una molécula así desde el exterior, veríamos la física combinada de ambos electrones. Y como nuestro componente básico ahora tiene dos electrones, en lugar de solo uno, vemos un tipo de física completamente diferente.

El equipo observó excitaciones magnéticas primero en moléculas individuales de ftalocianina de cobalto y luego en estructuras más grandes, como cadenas moleculares e islas. Comenzando con lo muy simple y avanzando hacia la complejidad, los investigadores esperan comprender el comportamiento que surge en los materiales cuánticos. En el estudio actual, el equipo pudo demostrar que las excitaciones simples y triples de sus componentes básicos pueden atravesar redes moleculares como cuasipartículas magnéticas exóticas conocidas como triplones.

«Hemos demostrado que podemos crear excitaciones magnéticas cuánticas exóticas en un material artificial. Esta estrategia demuestra que podemos diseñar racionalmente plataformas físicas que abran las posibilidades de nuevas tecnologías cuánticas.

El equipo planea ampliar su enfoque a bloques de construcción más complejos para diseñar otras excitaciones magnéticas exóticas y ordenar materiales cuánticos. El diseño racional a partir de componentes simples no sólo ayudará a comprender la física compleja de los sistemas de electrones interconectados, sino también a crear nuevas plataformas para materiales cuánticos diseñados.

Referencia: “Imágenes en el espacio real de excitaciones treblon en imanes cuánticos geométricos” por Robert Droste, Shaolino Kizilipiki, Jose L Lado y Peter Lilliroth, 22 de agosto de 2023, disponible aquí. Cartas de revisión física.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.086701