Spintronik plus Cuántica: Investigador de PSI recibe una financiación importante

Giacomo Sala es físico experimental en el Centro de Investigación de Neutrones y Muones del PSI. Para su proyecto Q-GEOMSPIN recibe una financiación de la UE: una Starting Grant del Consejo Europeo de Investigación ERC. © Instituto Paul Scherrer PSI/Markus Fischer

– El físico del PSI Giacomo Sala recibe aproximadamente 2,2 millones de CHF del Consejo Europeo de Investigación (ERC).
– En el proyecto Q-GEOMSPIN combina dos áreas de investigación que hasta ahora se han estudiado en gran medida por separado.
– De esta investigación fundamental podrían surgir en el futuro memorias de datos y procesadores más eficientes energéticamente.

El físico del PSI Giacomo Sala ha recibido una de las codiciadas subvenciones del Consejo Europeo de Investigación ERC, una llamada Starting Grant. El ERC apoya el proyecto de Sala Q-GEOMSPIN con 2,3 millones de euros (alrededor de 2,2 millones de CHF) durante los próximos cinco años. Dado que Suiza desde finales de 2025 está nuevamente totalmente asociada a los programas de financiación de investigación de la Unión Europea, Sala recibe esta financiación directamente del ERC.

Lo extraordinario de la iniciativa de Sala es la combinación de dos áreas de investigación – espintrónica y geometría cuántica – en un nuevo campo de investigación. Los conocimientos derivados podrían abrir a largo plazo nuevas posibilidades para memorias de datos espintrónicas. Además, podrían ayudar a obtener pequeñas cantidades de energía y desarrollar nuevas propiedades de materiales.

La idea de Q-GEOMSPIN surgió durante dos etapas en la carrera científica de Sala. Durante su doctorado en ETH Zürich investigó espintrónica y magnetismo. Más tarde, como postdoctorando en la Universidad de Ginebra, se dedicó a la geometría cuántica. La conexión de ambas perspectivas le llevó a preguntarse si la geometría cuántica podría generar efectos espintrónicos hasta ahora pasados por alto. «Hasta donde sé, nadie ha vinculado experimentalmente estos dos campos», dice el físico experimental del Centro de Investigación de Neutrones y Muones del PSI.

Una mancha blanca en el mapa de la espintrónica

La espintrónica es un campo científico establecido desde hace treinta años. Su importancia fue destacada con un Premio Nobel de Física otorgado en 2007 por su investigación. La espintrónica aprovecha el espín – la rotación intrínseca – de los electrones para almacenar información.

En los últimos años, sin embargo, se ha mostrado que la espintrónica aún tiene una especie de mancha blanca en su mapa: trabajos en física teórica sugieren que ciertos fenómenos espintrónicos pueden predecirse, entenderse y controlarse mediante la joven geometría cuántica. En concreto, se trata de un subcampo de la geometría cuántica: la métrica cuántica.

Para ilustrar la idea de la métrica cuántica, Sala utiliza una analogía: la gravedad. La fuerza gravitatoria hace que la Tierra gire alrededor del Sol. Según Albert Einstein, la explicación correcta es que el espacio está curvado por la masa del Sol. «De manera similar, para los electrones que se mueven a través de un sólido», explica Sala. Debido a la métrica cuántica, el espacio de impulso se curva. Los electrones «lo sienten» y son desviados en consecuencia.

Giacomo Sala podrá contratar a dos doctorandos y a una persona en nivel postdoctoral con la financiación ahora concedida. Junto con este pequeño equipo, investigará en el marco de Q-GEOMSPIN, entre otras cosas, materiales topológicos. Son sólidos en los que el interior es aislante, pero en la superficie conducen electricidad. También están en el programa compuestos oxídicos y materiales bidimensionales llamados de Van der Waals, como el grafeno.

De la electrónica a la geometría cuántica

La electrónica solo utiliza la carga de los electrones: la corriente fluye o no fluye, y de ello dependen los ceros y unos en el procesamiento digital de datos. Es decir, se aprovecha el movimiento de la carga.

La espintrónica añade una segunda propiedad: el espín, el momento angular cuántico intrínseco. En términos simples: una orientación de los electrones hacia arriba o hacia abajo. Esta propiedad puede usarse para la transmisión de información.

La geometría cuántica describe la estructura geométrica de las funciones de onda de los electrones en los sólidos. Una parte de ella, la métrica cuántica, actúa como una gravedad incorporada en el material y desvía a los electrones. Lo novedoso de la métrica cuántica es que esta geometría se convierte en una variable de control y puede vincularse con el espín.

Luces de sincrotrón y nanotecnología: el PSI ofrece la infraestructura necesaria

Sala y su equipo crearán y medirán estructuras que tienen solo unos pocos micrómetros de tamaño. Estas se enfriarán cerca del cero absoluto (menos 273,15 grados Celsius). Para ello, el PSI construirá con fondos del ERC un criostato especial: un aparato de enfriamiento que también genera campos magnéticos intensos. Dentro, se hace pasar una corriente eléctrica por la muestra y se mide la desviación de los electrones. Los investigadores buscan efectos no lineales, es decir, pequeñas variaciones en el voltaje o en el campo magnético que produzcan cambios grandes en la medición. Se esperan indicios de la geometría cuántica en estas desviaciones.

Que Sala haya llegado al PSI tiene que ver con su orientación estratégica en investigación y con su infraestructura única. En el nuevo «Centro de Materia y Materiales Cuánticos» del PSI, conocido como QMMC, se reúnen los trabajos de varios grupos de investigación del PSI en materia de cuántica y materiales. Q-GEOMSPIN encaja perfectamente en este nuevo nodo de investigación cuántica.

Así, el PSI también ofrece todas las instalaciones que Sala y su equipo necesitarán para fabricar y caracterizar materiales, crear microcomponentes y realizar mediciones a bajas temperaturas. Entre otras cosas, el equipo usará la fuente de luz de sincrotrón Swiss Light Source (SLS) y la nueva sala limpia del PSI «PICO», gestionada por el grupo de investigación en nanotecnología, ideal para fabricar los diminutos componentes. La fuente de neutrones de espallación SINQ del PSI también podría ofrecer oportunidades interesantes para su investigación.

Q-GEOMSPIN podría dar finalmente un gran impulso a la espintrónica. A excepción de la gigantesca resistencia magnetorresistiva, descubierta en los años 80 y que pronto multiplicó la densidad de almacenamiento en discos duros, las aplicaciones comerciales han sido escasas hasta ahora. En la lista de deseos están memorias espintrónicas más potentes (MRAM) o procesadores de ordenador que funcionen como el cerebro. También se discuten ideas exóticas, como recoger energía de las ondas Wi-Fi no utilizadas. Sala mantiene un enfoque realista: «Q-GEOMSPIN es pura investigación fundamental. Pero esa es la base para desarrollar aplicaciones».