El caos cuántico ha sido domado: físicos capturan el esquivo líquido de espín

Un equipo de físicos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST) ha utilizado por primera vez la luz para detectar un estado cuántico único de la materia: el líquido de espín de Kitaev. Este avance abre nuevas posibilidades para la creación de computadoras resistentes a interferencias y capaces de operar sin errores.

El líquido de espín de Kitaev es un estado exótico de la materia en el que los momentos magnéticos de las partículas elementales –los espines– no forman una estructura ordenada, incluso a temperaturas extremadamente bajas. Al igual que las moléculas en un líquido, los espines permanecen móviles y caóticos, lo que convierte a estos materiales en candidatos ideales para sistemas de computación cuántica de próxima generación.

Para sus experimentos, los investigadores sintetizaron películas ultrafinas de óxidos de cobalto. Los ejemplares tenían un grosor de apenas 20 nanómetros, comparable al tamaño de un virus y miles de veces más delgado que un cabello humano. Se eligieron los óxidos de cobalto debido a sus propiedades magnéticas únicas y su capacidad para preservar características cuánticas en capas extremadamente delgadas.

Tradicionalmente, el análisis de propiedades magnéticas de los materiales se realiza mediante técnicas de dispersión de neutrones. Sin embargo, este método presenta una gran limitación: solo es efectivo con muestras relativamente grandes. Cuando se trata de películas nanométricas, esenciales para los procesadores cuánticos, la señal es demasiado débil para un análisis fiable.

El nuevo enfoque se basa en el estudio de ciertas cuasipartículas llamadas exitones, que emergen cuando la luz interactúa con la materia. Cuando los fotones con una energía específica impactan el material, desplazan electrones de sus posiciones habituales, creando pares electrón-hueco. Estas partículas son extremadamente sensibles a cambios en el estado magnético del material, lo que permite detectar efectos cuánticos sutiles.

Al observar el comportamiento de los exitones, los físicos registraron oscilaciones características de los espines, que persistieron incluso a temperaturas superiores al punto de Néel (16 kelvins o -257,15 grados Celsius). Esta observación es crucial: el punto de Néel es el umbral de temperatura en el que los materiales antiferromagnéticos convencionales alinean sus momentos magnéticos en una estructura ordenada. La persistencia de estas oscilaciones por encima de este límite es una clara evidencia de la naturaleza cuántica del fenómeno observado.

Los cálculos teóricos revelaron la presencia de interacciones de Kitaev en las muestras. En este tipo de interacción, los espines de las partículas se acoplan de tal manera que cualquier perturbación en uno de ellos es compensada por el comportamiento colectivo del sistema. Se genera así una especie de "colchón de seguridad" a nivel cuántico: la información se distribuye por toda la red, en lugar de estar localizada en partículas individuales.

A diferencia de los líquidos de espín cuánticos convencionales, el estado de Kitaev posee una simetría geométrica especial. Los espines forman una red compleja de interacciones, dando lugar a una estructura topológica: una especie de tejido donde cada patrón es significativo no por sí mismo, sino como parte de un sistema interconectado. Como resultado, la información se protege a nivel fundamental: las perturbaciones locales no pueden corromper los datos almacenados en la estructura global del sistema. Este principio convierte a las computadoras cuánticas topológicas en prácticamente inmunes a los errores causados por influencias externas.

El descubrimiento del líquido de espín de Kitaev en películas delgadas de óxidos de cobalto tiene enormes implicaciones prácticas. Estos materiales son relativamente fáciles de fabricar y pueden integrarse en la microelectrónica existente. Además, el método de diagnóstico basado en luz desarrollado por los investigadores facilita la búsqueda y caracterización de nuevos materiales para la computación del futuro.