Observan emparejamiento de electrones en átomos artificiales

Físicos de la Universidad de Hamburgo han logrado observar un estado cuántico que teóricos japoneses predijeron hace más de 50 años, pero que hasta ahora eludió la detección.

Al adaptar un átomo artificial en la superficie de un superconductor, los investigadores lograron emparejar los electrones del llamado punto cuántico, induciendo así la versión más pequeña posible de un superconductor. El trabajo aparece en la revista Nature.

Por lo general, los electrones se repelen entre sí debido a su carga negativa. Este fenómeno tiene un gran impacto en muchas propiedades de los materiales, como la resistencia eléctrica. La situación cambia drásticamente si los electrones se "pegan" en pares convirtiéndose así en bosones. Los pares bosónicos no se evitan entre sí como los electrones individuales, pero muchos de ellos pueden residir en el mismo lugar o hacer el mismo movimiento.

Una de las propiedades más intrigantes de un material con tales pares de electrones es la superconductividad, la posibilidad de permitir que una corriente eléctrica fluya a través del material sin ninguna resistencia eléctrica. Durante muchos años, la superconductividad ha encontrado muchas aplicaciones tecnológicas importantes, que incluyen imágenes de resonancia magnética o detectores altamente sensibles para campos magnéticos.

Hoy en día, la continua reducción de escala de los dispositivos electrónicos guía en gran medida las investigaciones sobre cómo se puede inducir la superconductividad en estructuras mucho más pequeñas a nanoescala.

Investigadores del Departamento de Física y el Clúster de Excelencia "CUI: Imágenes Avanzadas de la Materia" en la Universidad de Hamburgo ahora han realizado el emparejamiento de electrones en un átomo artificial llamado punto cuántico, que es el bloque de construcción más pequeño para dispositivos electrónicos nanoestructurados.

Con ese fin, los investigadores dirigidos por el doctor Jens Wiebe del Instituto de Nanoestructura y Física del Estado Sólido encerraron los electrones en diminutas jaulas que construyeron a partir de plata, átomo por átomo. Al acoplar los electrones bloqueados a un superconductor elemental, los electrones heredaron la tendencia a emparejarse del superconductor.

Junto con un equipo de físicos teóricos, dirigido por el Dr. Thore Posske, los investigadores relacionaron la firma experimental, un pico espectroscópico a muy baja energía, con el estado cuántico predicho a principios de la década de 1970 por Kazushige Machida y Fumiaki Shibata.

Si bien el estado hasta ahora ha eludido la detección directa mediante métodos experimentales, el trabajo reciente de investigadores de los Países Bajos y Dinamarca muestra que es beneficioso para suprimir el ruido no deseado en los qubits transmon, un componente esencial de las computadoras cuánticas modernas.