Un profesor de biología química está entrelazando “nudos” mecánico-cuánticos en materiales topológicos.
El proceso puede ser clave para desbloquear el potencial de las tecnologías cuánticas para almacenar y procesar enormes cantidades de información, según afirma The Harvard Gazette.
También podría traer avances revolucionarios en diversos campos.
A lo largo de la historia humana, la mayoría de nuestros esfuerzos por almacenar información, desde los nudos y los huesos oraculares hasta las marcas en bambú y la palabra escrita, se reducen a dos técnicas: usar caracteres o formas para representar la información. Hoy en día, enormes cantidades de información se almacenan en obleas de silicio con ceros y unos, pero un nuevo material en la frontera entre la química cuántica y la física cuántica podría permitir mejoras enormes en el almacenamiento.
Suyang Xu, profesor adjunto de biología química, está entrelazando “nudos” mecánico-cuánticos en materiales topológicos, que podrían ser la clave para desbloquear el potencial de las tecnologías cuánticas para almacenar y procesar enormes cantidades de información y traer avances revolucionarios en diversos campos.
“Imagine una cuerda identificada por un número de nudos”, dijo Xu. “Por mucho que cambie la forma de la cuerda, el número de nudos —conocido como número topológico— no puede cambiar sin alterar su identidad fundamental al añadir o deshacer nudos.” Es esta robustez la que hace que los materiales topológicos sean potencialmente especialmente útiles.
Xu, que cursó su licenciatura en China, se topó por primera vez con los materiales topológicos cuando comenzó sus estudios de posgrado en física en Princeton en 2008, cuando estos materiales se estaban creando por primera vez. Los intereses de investigación de Xu abarcan las propiedades electrónicas y ópticas de la materia cuántica, como los estados topológicos y de simetría rota.
Los materiales topológicos desplazan electrones por sus superficies y bordes sin fricción ni pérdida, lo que los convierte en materiales prometedores para la electrónica de muy alta velocidad, como las computadoras cuánticas. Estos dispositivos tienen el potencial de ser más potentes que las computadoras existentes porque sus bits cuánticos, denominados “cúbits”, aprovechan dos propiedades de los estados cuánticos —la superposición y el entrelazamiento— para codificar información.
Sin embargo, los estados cuánticos son delicados y, cuando se perturban, pueden provocar decoherencia, desincronizarse y perder la información almacenada. Como los materiales topológicos son robustos y resisten la perturbación, podrían utilizarse para construir cúbits más resistentes y de mayor duración.
La formación en física de Xu y su experiencia en química experimental le permiten poner a prueba teorías cuánticas en el mundo real. “Aunque físicos y químicos estudian ambos los materiales, los físicos tienden a considerarlos más como ecuaciones abstractas, mientras que los químicos se ocupan de sus propiedades emergentes”, dijo Xu. “Como tengo una formación puramente física y hablo el lenguaje de la química, puedo traducir teorías complejas al espacio real.”
Con unas pocas suposiciones bien fundamentadas y algunas técnicas innovadoras, Xu y su equipo salvan la brecha entre la física cuántica y la química, poniendo a prueba teorías con materiales. En primer lugar, predicen qué materiales podrían presentar propiedades topológicas. Las fórmulas químicas de los elementos de tales materiales no ofrecen una perspectiva adecuada; Xu también se interesa por sus propiedades macroscópicas.
“Si estudiara el agua, el vapor y el hielo solo a partir de su ecuación H20, no aprendería nada sobre sus distintas propiedades”, dijo Xu. “Como químico, intento encontrar ciertos elementos y organizarlos microscópicamente para que puedan producir una propiedad topológica.”
El laboratorio de Xu contrasta después las teorías actuales sobre reacciones químicas con datos experimentales para ampliar el mapa de los materiales topológicos. Mediante refrigeradores especializados en los que átomos y moléculas se enfrían a temperaturas justo por encima del cero absoluto, donde se vuelven altamente controlables y más visibles, Xu y su equipo someten a prueba el flujo de electrones a través de los materiales con corrientes.
También les interesan las propiedades ópticas de los materiales, comprobando su interacción con la luz. El equipo dispara fotones contra los materiales y recoge datos topológicos cuántico-mecánicos basados en cómo la luz se dispersa, refleja y transmite. Xu ya ha obtenido sólidas pruebas de partículas teóricas que responden a uno de los problemas más espinosos de la ciencia cuántica.
“Como tengo una formación puramente física y hablo el lenguaje de la química, puedo traducir teorías complejas al espacio real.”— Suyang Xu
En un estudio publicado el año pasado en Nature, Xu y su equipo se propusieron estudiar las propiedades de los axiones, una partícula elemental teórica propuesta por el físico Frank Wilczek. El premio Nobel le dio el nombre de una marca de detergente para la ropa porque “limpió” el complejo y altamente técnico problema de la paridad de carga fuerte en la cromodinámica cuántica, al llenar el vacío entre la teoría y la observación.
Además, una de las predicciones más atractivas sobre los estados axiónicos es que podríamos utilizarlos para controlar la magnetización, lo que podría revolucionar todo tipo de tecnologías, ya que el magnetismo y los materiales magnéticos están en el centro de muchísimas aplicaciones.
En una clase de materiales topológicos llamados aislantes axiónicos, el equipo de Xu buscó simular el comportamiento del axión. Fabricaron un dispositivo de doble puerta de MnBi2Te4 en un entorno de argón, y midieron sus propiedades eléctricas y ópticas, descubriendo nuevas vías para detectar y manipular la rica estructura interna de los materiales topológicos.
“Descubrimos un material real que puede sostener el estado de aislante axiónico”, dijo Xu. “Confirmamos que tenía las propiedades predichas, un fuerte acoplamiento entre electricidad y magnetismo.”
Tras aportar pruebas de una partícula teorizada, Xu planea explorar las propiedades de espín de los semimetales de Weyl, un nuevo estado de la materia con una estructura electrónica inusual, con profundas analogías con la física de partículas y que da lugar a propiedades topológicas únicas.
