Triplones complicados: los científicos crean un imán cuántico artificial con cuasipartículas hechas de electrones entrelazados

Por Universidad Aalto 23 de agosto de 2023

La ilustración artística muestra excitaciones magnéticas de moléculas de cobalto-ftalocianina, donde los electrones entrelazados se propagan formando 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 triplones son pequeñas cosas complicadas. Experimentalmente, son extremadamente difíciles de observar. E incluso entonces, los investigadores suelen realizar pruebas con materiales macroscópicos, en las que las mediciones se expresan como un promedio de toda la muestra.

That’s where designer quantum materials offer a unique advantage, says Academy Research Fellow Robert Drost, the first author of a paper published on August 22 in the journal Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Cartas de revisión física. Estos materiales cuánticos de diseño permiten a los investigadores crear fenómenos que no se encuentran en los compuestos naturales y, en última instancia, permiten la realización de excitaciones cuánticas exóticas.

“Estos materiales son muy complejos. Te brindan físicas muy interesantes, pero las más exóticas también son difíciles de encontrar y estudiar. Por eso estamos probando un enfoque diferente, construyendo un material artificial utilizando componentes individuales”, dice el profesor Peter Liljeroth, jefe del grupo de investigación de física de escala atómica de la Universidad de Aalto.

Los materiales cuánticos se rigen por las interacciones entre electrones a nivel microscópico. Estas correlaciones electrónicas conducen a fenómenos inusuales como la superconductividad a alta temperatura o estados magnéticos complejos, y las correlaciones cuánticas dan lugar a nuevos estados electrónicos.

En el caso de dos electrones, existen dos estados entrelazados conocidos como estados singlete y triplete. El suministro de energía al sistema de electrones puede excitarlo del estado singlete al triplete. En algunos casos, esta excitación puede propagarse a través de un material en una onda de entrelazamiento conocida como triplón. Estas excitaciones no están presentes en los materiales magnéticos convencionales y medirlas sigue siendo un desafío abierto en los materiales cuánticos.

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

"Utilizando bloques de construcción moleculares muy simples, podemos diseñar y probar este complejo imán cuántico de una manera que nunca se había hecho antes, revelando fenómenos que no se encuentran en sus partes independientes", dice Drost. "Si bien las excitaciones magnéticas en átomos aislados se han observado durante mucho tiempo mediante espectroscopia de barrido de túneles, nunca se ha logrado con triplones en propagación".

"Usamos estas moléculas para agrupar electrones, los empaquetamos en un espacio reducido y los obligamos a interactuar", continúa Drost. “Al observar una molécula de este tipo desde el exterior, veremos la física conjunta de ambos electrones. Debido a que nuestro componente fundamental ahora contiene dos electrones, en lugar de uno, vemos un tipo de física muy diferente”.

El equipo monitoreó las 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 trabajando hacia una complejidad cada vez mayor, los investigadores esperan comprender el comportamiento emergente de los materiales cuánticos. En el presente estudio, el equipo pudo demostrar que las excitaciones singlete-triplete de sus componentes básicos pueden atravesar redes moleculares como cuasipartículas magnéticas exóticas conocidas como triplones.

“Demostramos que podemos crear una excitación magnética cuántica exótica en un material artificial. Esta estrategia demuestra que podemos diseñar racionalmente plataformas materiales que abran nuevas posibilidades en las tecnologías cuánticas”, dice el profesor asistente José Lado, uno de los coautores del estudio, que dirige el grupo de investigación de Materiales Cuánticos Correlacionados en la Universidad de Aalto.

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

Referencia: “Imágenes en el espacio real de excitaciones triplón en imanes cuánticos diseñados” por Robert Drost, Shawulienu Kezilebieke, Jose L. Lado y Peter Liljeroth, 22 de agosto de 2023, Physical Review Letters.DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.086701