Los investigadores han creado un nuevo campo de pruebas para sistemas cuánticos en el que pueden, literalmente, activar y desactivar ciertas interacciones de partículas, lo que podría allanar el camino para los avances en espintrónica.

La electrónica de transporte de espín tiene el potencial de revolucionar los dispositivos electrónicos como los conocemos, especialmente cuando se trata de computación. Mientras que la electrónica estándar utiliza la carga de un electrón para codificar información, los dispositivos espintrónicos se basan en otra propiedad intrínseca del electrón: su giro.

La espintrónica podría ser más rápida y más confiable que la electrónica convencional, ya que la rotación se puede cambiar rápidamente y estos dispositivos consumen menos energía. Sin embargo, el campo es joven y hay muchas preguntas que los investigadores deben resolver para mejorar su control de la información de giro. Una de las preguntas más complejas que afectan al campo es cómo la señal transportada por las partículas con espín, conocida como corriente de espín, decae con el tiempo.

“La señal que necesitamos para hacer que la espintrónica funcione, y para estudiar estas cosas, puede decaer. Al igual que queremos un buen servicio de telefonía celular para hacer una llamada, queremos que esta señal sea fuerte ", dijo Chuan-Hsun Li, un estudiante graduado en ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Purdue. "Cuando la corriente de espín decae, perdemos la señal". En el mundo real, los electrones no existen independientemente de todo lo que los rodea y se comportan exactamente como esperamos que lo hagan. Interactúan con otras partículas y entre diferentes propiedades dentro de sí mismas. La interacción entre el espín de una partícula (una propiedad intrínseca) y el momento (una propiedad extrínseca) se conoce como acoplamiento espín-órbita.

Según un nuevo artículo en Nature Communications, el acoplamiento de la órbita de espín y las interacciones con otras partículas pueden mejorar dramáticamente la decadencia de la corriente de espín en un fluido cuántico llamado condensado de Bose-Einstein (BEC).

"La gente quiere manipular la formación de espines para que podamos usarla para codificar información, y una forma de hacerlo es usar mecanismos físicos como el acoplamiento de la órbita de los espines", dijo Li. "Sin embargo, esto puede llevar a algunos inconvenientes, como la pérdida de información de giro".

El experimento se realizó en el laboratorio de Yong Chen, profesor de física y astronomía, e ingeniería eléctrica e informática en Purdue, donde su equipo creó algo así como un mini colisionador de partículas para BEC. Usando láseres, los átomos de rubidio-87 dentro de una cámara de vacío fueron atrapados y enfriados casi al cero absoluto. (Los adictos a la física pueden recordar que las tecnologías de refrigeración por láser ganaron el Premio Nobel de física en 1997. La trampa láser ganó el Premio en 2018.)

En este punto, los átomos se convierten en BEC: el más frío y misterioso de los cinco estados de la materia. A medida que los átomos se vuelven más fríos, comienzan a mostrar propiedades de onda. En este estado cuántico, tienen una crisis de identidad; se superponen entre sí y dejan de comportarse como individuos. Aunque el BEC no es técnicamente un gas, esta podría ser la forma más fácil de imaginarlo: los físicos se refieren a él como fluido cuántico o gas cuántico.

Dentro del mini colisionador de fluido cuántico, el equipo de Chen envió dos BEC con giros opuestos que chocaron entre sí. Como lo harían dos nubes de gas, se penetran parcialmente, entregando una corriente de espín.

“Se producen muchos fenómenos fascinantes cuando colisionas dos condensados. Originalmente, son superfluidos, pero cuando chocan, parte de la fricción puede convertirlos en gas térmico ", dijo Chen. "Debido a que podemos controlar cada parámetro, este es un sistema realmente eficiente para estudiar este tipo de colisiones".

Usando este sistema, los investigadores pueden, literalmente, activar y desactivar el acoplamiento de la órbita de giro, lo que les permite aislar su efecto en la decadencia de la corriente de giro. Esto no se puede hacer con electrones en materiales de estado sólido, que es parte de lo que hace que este sistema sea tan poderoso, dijo Chen.

El llamado gas cuántico es el sistema más limpio que el hombre puede hacer. No hay desorden, lo que hace posible crear una corriente de espín pura y estudiar sus propiedades. Chen espera seguir utilizando este campo de pruebas experimentales y su corriente de espín bosónica para explorar más a fondo muchas cuestiones fundamentales en el transporte de espín y la dinámica cuántica.

"Un desafío importante para la espintrónica y otras tecnologías cuánticas relacionadas es reducir la descomposición para que podamos propagar la información del giro en distancias más largas, por tiempos más largos", dijo. "Con este nuevo conocimiento del papel del acoplamiento de órbita de espín, esto puede ayudar a las personas a obtener nuevos conocimientos para reducir la desintegración de espín y potencialmente también diseñar mejores dispositivos espintrónicos".

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