Enfriamiento rápido para el desarrollo de la nanotecnología cuántica

El enfriamiento rápido de partículas de magnon resulta ser un método sorprendentemente efectivo para generar un estado cuántico de la materia, conocido como condensado de Bose-Einstein. Este descubrimiento puede contribuir a impulsar la investigación en física cuántica y además representa un paso hacia el objetivo a largo plazo de la computación cuántica a temperatura ambiente.

Un equipo internacional de científicos ha encontrado un enfoque sencillo para inducir un estado extraordinario de la materia, un llamado condensado de Bose-Einstein. El nuevo método, descrito recientemente en la revista Nature Nanotechnology, busca avanzar en la investigación y desarrollo de la computación cuántica a temperatura ambiente.

El equipo, dirigido por físicos de la Universidad Tecnológica de Kaiserslautern (TUK) en Alemania y de la Universidad de Viena en Austria, generó el condensado de Bose-Einstein (BEC) mediante un cambio repentino de temperatura. Las cuasi-partículas se calientan inicialmente de manera lenta y luego se enfrían rápidamente hasta la temperatura ambiente. Presentaron el método usando cuasi-partículas llamadas magnones, que representan las excitaciones cuánticas magnéticas de un sólido.

„Muchos investigadores estudian diferentes tipos de condensados de Bose-Einstein“, explica el profesor Burkard Hillebrands de la TUK, uno de los principales investigadores en el campo del BEC. „El nuevo enfoque que hemos desarrollado debería funcionar para muchos sistemas.“

Enigmático y espontáneo

Los condensados de Bose-Einstein, nombrados en honor a Albert Einstein y Satyendra Nath Bose, quienes por primera vez sospecharon de su existencia, son una forma misteriosa de materia. Se trata de partículas que en la escala cuántica se comportan espontáneamente de la misma manera y, en esencia, se convierten en una sola entidad. Originalmente utilizados para describir partículas ideales de gases, los condensados de Bose-Einstein se han formado tanto con átomos como con cuasi-partículas como bosones, fonones y magnones.

La creación de condensados de Bose-Einstein es una tarea delicada, ya que por definición deben formarse de manera espontánea. Crear las condiciones para su generación significa no inducir orden o coherencia que motive a las partículas a comportarse de la misma forma; las partículas deben hacerlo de manera autónoma.

Actualmente, los condensados de Bose-Einstein se generan bajando la temperatura hasta cerca del cero absoluto o inyectando un gran número de partículas a temperatura ambiente en un volumen pequeño. El método a temperatura ambiente, del que Hillebrands y sus colegas informaron por primera vez en 2005, es técnicamente complejo, y solo unos pocos equipos de investigación en todo el mundo disponen del equipo y el conocimiento necesarios.

En cambio, el nuevo método es mucho más sencillo. Solo se necesita una fuente de calor y una nanostructura magnética diminuta, que es cien veces más pequeña que el grosor de un cabello humano.

„Nuestros últimos avances en la miniaturización de estructuras magnónicas a escala nanoscópica nos permitieron observar el BEC desde una perspectiva completamente diferente“, explica el profesor Andrii Chumak de la Universidad de Viena.

La nanostructura se calienta lentamente hasta 200°C para generar fonones, que a su vez producen magnones a la misma temperatura. La fuente de calor se apaga y la nanostructura se enfría rápidamente a temperatura ambiente en aproximadamente una nanosegundo. Durante este proceso, los fonones escapan hacia el sustrato, pero los magnones son demasiado lentos para reaccionar y permanecen dentro de la nanostructura magnética.

Michael Schneider, autor principal y doctorando en el grupo de investigación en magnetismo de la TUK, explicó las razones: „Cuando los fonones escapan, los magnones quieren reducir su energía para mantenerse en equilibrio. Como no pueden disminuir el número de partículas, deben reducir su energía de otra manera. Por eso, todos caen en el mismo nivel de energía bajo.“

Al ocupar espontáneamente el mismo nivel de energía, los magnones forman un condensado de Bose-Einstein.

„Nunca forzamos la coherencia en el sistema“, explica Andrii Chumak, „por lo que este método es una vía muy pura y clara para producir condensados de Bose-Einstein“.

Resultados inesperados

Como suele ocurrir en la ciencia, el equipo hizo esta observación de manera completamente accidental. Inicialmente querían investigar otro aspecto de los nanoestructurados, cuando sucedieron cosas extrañas.

„Al principio pensamos que algo no estaba bien con nuestro experimento o con el análisis de datos“, relata Michael Schneider.

Tras una reunión con socios en la TUK y en Estados Unidos, se optimizaron algunos parámetros experimentales para determinar si el fenómeno inusual realmente correspondía a un condensado de Bose-Einstein. Esta verificación se realizó mediante técnicas de espectroscopía.

El resultado, en primer lugar, interesará a otros físicos que estudian este estado de la materia. „Sin embargo, la publicación de información sobre magnones y su comportamiento en un estado cuántico macroscópico a temperatura ambiente podría influir en el desarrollo de computadoras que utilicen magnones como portadores de datos“, comenta Burkard Hillebrands.

Andrii Chumak resaltó la importancia de la colaboración dentro de la iniciativa de investigación nacional OPTIMAS de la TUK y del área de investigación "Spin+X" junto con la Universidad de Mainz para resolver el enigma. La integración del conocimiento de su equipo sobre nanostructuras magnónicas con la experiencia de Hillebrands en condensados de Bose-Einstein de magnones fue esencial. Su investigación fue apoyada significativamente por dos becas del Consejo Europeo de Investigación (ERC).

Publicación original:

M. Schneider, et al., Condensación de Bose-Einstein de cuasi-partículas mediante enfriamiento rápido, Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/s41565-020-0671-z, (2020).

Contacto científico:

Prof. Dr. Andrii Chumak
Nanomagnetismo y Magnónica, Facultad de Física, Universidad de Viena
Boltzmanngasse 5, 1090 Viena
Correo electrónico: andrii.chumak@univie.ac.at
Tel.: +43-1-4277-73910
Móvil: +43-664-60277-73910
Sitio web: https://nanomag.univie.ac.at/

Prof. Dr. Burkard Hillebrands
Grupo de Magnetismo, Departamento de Física, Universidad Tecnológica de Kaiserslautern
Erwin-Schrödinger 56, 67663 Kaiserslautern
Correo electrónico: hilleb@physik.uni-kl.de
Tel.: +49 631 205-4228
Sitio web: https://www.physik.uni-kl.de/hillebrands/home/