Una sola molécula marca la diferencia cuántica, según un estudio del CiQUS

Personal investigador del Centro Singular de Investigación en Química Biológica y Materiales Moleculares de la Universidade de Santiago de Compostela (CiQUS), en colaboración con el grupo de Microscopía de Detección Cuántica de CIC nanoGUNE, ha demostrado que añadir o retirar una sola molécula de una cadena cuántica puede cambiar radicalmente su interacción con un superconductor. La clave está en la paridad: las cadenas con un número impar de unidades interactúan magnéticamente con el superconductor, mientras que las que tienen un número par no lo hacen. Los resultados se han publicado en la revista ‘Nature’.

Las cadenas están formadas por triangulenos, pequeños fragmentos triangulares de grafeno que albergan un espín (S=1). Cuando estas unidades magnéticas se enlazan entre sí, sus espines interactúan y forman un estado cuántico colectivo conocido como fase de Haldane, predicho teóricamente hace más de cuatro décadas. Una de sus propiedades más singulares es que una cadena construida con unidades de espín entero desarrolla en sus dos extremos estados fraccionarios con espín, es decir, objetos cuánticos con la mitad de ese espín (S=1/2).

Superficies de oro

El equipo investigador se propuso estudiar qué ocurre cuando estos estados fraccionarios entran en contacto con un superconductor. El reto experimental radicaba en que las superficies de oro, plataforma necesaria para fabricar nanoestructuras de carbono con precisión atómica, no presentan propiedades superconductoras, mientras que otros materiales superconductores como el niobio no ofrecen el mismo entorno químico para este tipo de síntesis.

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Para superar esta limitación, se desarrolló una estrategia basada en el crecimiento de una película de oro de entre 25 y 30 capas atómicas de espesor sobre un cristal de niobio. La película de oro adquiere superconductividad gracias a su proximidad al superconductor, y el resultado es una plataforma que conserva el entorno químico del oro y presenta, desde el punto de vista electrónico, las propiedades de un superconductor.

Las mediciones realizadas mediante microscopía y espectroscopía de efecto túnel revelaron un claro efecto de paridad: en las cadenas formadas por un número impar de triangulenos se observó una señal característica de la interacción entre un momento magnético y el estado superconductor, mientras que en las cadenas con un número par estos signales desaparecen.

Diego Peña, profesor de investigación Oportunius que lideró el equipo del CiQUS, señala que este trabajo es un ejemplo de cómo la investigación del centro contribuye al avance de las tecnologías cuánticas, combinando diseño molecular, síntesis química y física de superficies. Nacho Pascual, profesor Ikerbasque en nanoGUNE, explica que las moléculas magnéticas son candidatas a servir como bits cuánticos y que estos resultados muestran un método para encender o apagar la interacción de las cadenas con el superconductor cambiando su longitud en una sola unidad. Además, según añade, el trabajo establece una plataforma para combinar la construcción de materiales moleculares con precisión atómica y la superconductividad, lo que permitirá explorar de forma controlada cómo estados magnéticos, correlaciones cuánticas y fases topológicas interactúan con un condensado superconductor.

El trabajo ha sido financiado por MOLSENSE, un proyecto coordinado de la Agencia Estatal de Investigación, y por CONSPIRA, un proyecto Advanced Grant del Consejo Europeo de Investigación (ERC) dirigido por Nacho Pascual.

Fuente: Universidade de Santiago de Compostela

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