Los nanosistemas de espines generan un nuevo tipo de bits cuánticos

El rápido avance que se ha venido produciendo en el campo del crecimiento de cristales y la tecnología aplicada a dispositivos relacionada está abriendo nuevos caminos. Quizá el efecto de esta evolución se perciba, más que en ningún otro ámbito, en el desarrollo de estructuras ultrapequeñas cuyas propiedades materiales se pueden controlar a nanoescala. ¿Cuál es el motivo de este desarrollo? Al poseer unas propiedades ópticas y electrónicas únicas, las nanoestructuras de estado sólido podrían convertirse en el punto de partida de una nueva generación de dispositivos.

Sobre el terreno, los investigadores se muestran especialmente interesados en las propiedades de los espines recluidos dentro de las nanoestructuras, con el fin último de utilizar los nanosistemas de espines para desarrollar, por ejemplo, bits cuánticos (qubits) robustos, capaces de almacenar ingentes cantidades de información. En este sentido, el proyecto S^3NANO, financiado por la Unión Europea, ha desarrollado con éxito qubits siguiendo un método innovador. Según los investigadores del proyecto, estos qubits podrían ser las unidades de información de los ordenadores cuánticos del futuro.

S^3NANO, que ha publicado recientemente todos sus principales hallazgos, fue una iniciativa de colaboración de estudios e investigadores. En él coincidieron estudios actuales acerca del desarrollo de nuevos conceptos de dispositivos en el campo los nanosistemas de estado sólido de pocos espines y un equipo integrado por los principales investigadores y centros internacionales. En el transcurso de cuatro años, esta «red de nanosistemas de estado sólido de pocos espines» ha logrado numerosos avances que permiten comprender y, en el futuro, utilizar con éxito sistemas a nanoescala en dispositivos por medio de programas de investigación e intercambio, así como de sesiones de formación.

La respuesta está en un hueco

Antes de S^3NANO, los qubits solo existían en forma de electrones individuales. Para crear estos qubits a base de electrones, había que fijar un electrón a lo que se conoce como un «punto cuántico», un diminuto volumen semiconductor que hace girar el electrón hasta formar un pequeño imán permanente. Los investigadores pueden manipular el espín por medio de un campo magnético externo y la dirección del espín se utiliza para codificar la información.

Aunque este desarrollo ya constituía un importante avance en sí mismo, estaba lejos de ser perfecto. El problema de los qubits creados a partir de electrones es que los mismos electrones provocan interferencias que dificultan la programación y la lectura de las estructuras portadoras de información. Por ello, se necesitaba un método mejorado.

El proyecto S^3NANO emprendió el siguiente paso y contribuyó a hallar una solución. Los investigadores descubrieron que la clave estaba en utilizar los huecos de electrón, y no los electrones, como qubits. En lugar de fijar electrones individuales al punto cuántico, el equipo decidió quitar determinados electrones. El resultado fue la creación de espacios vacíos con carga positiva dentro de la estructura del electrón; estos espacios reciben el nombre de «huecos de electrón». Puesto que los huecos de electrón también poseen un espín, se pueden manipular por medio de un campo magnético para codificar la información.

Sin embargo, a diferencia de los electrones, los huecos de electrón presentan una carga positiva; esto significa que se encuentran desacoplados de los núcleos con carga positiva que rodean a los átomos, por lo que son prácticamente inmunes a las interferencias que origina un espín nuclear.

La investigación continúa

Los investigadores se muestran entusiasmados acerca de los puntos cuánticos de gran calidad que han conseguido desarrollar y, en su opinión, suponen un importante avance para poder crear componentes reproducibles basados en los bits cuánticos. Sin embargo, dado que los huecos de electrón son más susceptibles a resultar alterados por las temperaturas cálidas que los electrones, solo se podrían utilizar con temperaturas bajas.

Para resolver esta cuestión, así como para seguir impulsando el trabajo del proyecto S^3NANO, en 2016 se puso en marcha una red que tomó el relevo del proyecto. En la red Marie Sklodowska-Curie ITN Spin-NANO Network trabajan actualmente quince estudiantes de doctorado.

Para más información, consulte:
Sitio web del proyecto S^3NANO