Los científicos demuestran el potencial del espín del electrón para transmitir información cuántica

El espín del electrón es el bit cuántico perfecto de la naturaleza, capaz de ampliar el rango de almacenamiento de información más allá de “uno” o “cero”. Explotar el grado de libertad de espín del electrón (posibles estados de espín) es un objetivo central de la ciencia de la información cuántica.

Los avances recientes de los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), Joseph Orenstein, Yue Sun, Jie Yao y Fanghao Meng, han demostrado el potencial de los paquetes de ondas magnónicas (excitaciones colectivas del espín electrónico) para transportar información cuántica a distancias sustanciales en una clase de Materiales conocidos como antiferroimanes.

Su trabajo trastoca la comprensión convencional sobre cómo se propagan tales excitaciones en los antiferroimanes. La próxima era de las tecnologías cuánticas (computadoras, sensores y otros dispositivos) depende de la transmisión de información cuántica con fidelidad a distancia.

Con su descubrimiento, informado en un artículo publicado en Física de la naturaleza, Orenstein y sus compañeros de trabajo esperan haber dado un paso más hacia estos objetivos. Su investigación es parte de esfuerzos más amplios en Berkeley Lab para avanzar en la información cuántica trabajando en todo el ecosistema de investigación cuántica, desde la teoría hasta la aplicación, para fabricar y probar dispositivos basados ​​en cuántica y desarrollar software y algoritmos.

Los espines de los electrones son responsables del magnetismo de los materiales y pueden considerarse como pequeñas barras magnéticas. Cuando los espines vecinos están orientados en direcciones alternas, el resultado es un orden antiferromagnético y la disposición no produce magnetización neta.

Para comprender cómo se mueven los paquetes de ondas magnónicas a través de un material antiferromagnético, el grupo de Orenstein utilizó pares de pulsos láser para perturbar el orden antiferromagnético en un lugar mientras exploraba otro, obteniendo instantáneas de su propagación. Estas imágenes revelaron que los paquetes de ondas magnónicas se propagan en todas direcciones, como las ondas de un guijarro al caer en un estanque.

El equipo del Laboratorio de Berkeley también demostró que los paquetes de ondas magnónicas en el antiferroimán CrSBr (bromuro de sulfuro de cromo) se propagan más rápido y a distancias más largas de lo que predicen los modelos existentes. Los modelos suponen que el espín de cada electrón se acopla sólo con sus vecinos. Una analogía es un sistema de esferas conectadas a vecinas cercanas mediante resortes; desplazar una esfera de su posición preferida produce una onda de desplazamiento que se propaga con el tiempo.

Sorprendentemente, tales interacciones predicen una velocidad de propagación mucho más lenta de lo que el equipo realmente observó.

“Sin embargo, recuerde que cada electrón que gira es como una pequeña barra magnética. Si imaginamos reemplazar las esferas con pequeñas barras magnéticas que representan los electrones giratorios, la imagen cambia completamente”, dijo Orenstein. “Ahora, en lugar de interacciones locales, cada barra magnética se acopla entre sí en todo el sistema a través de la misma interacción de largo alcance que atrae un imán de refrigerador hacia la puerta del refrigerador”.