15/03/2013 - Un trabajo abre una nueva vía para manipular bits cuánticos y transferir información con eficiencia

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Investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), en colaboración con el National Research Council of Canada, ha medido y analizado por primera vez un fenómeno denominado bloqueo de espín en el transporte electrónico a través de un circuito de tres puntos cuánticos, o átomos artificiales, acoplados entre sí.

El trabajo, publicado en la revista Nature Nanotechnology, abre una nueva vía para la manipulación de bits cuánticos, los componentes básicos de los ordenadores del futuro, y para la transferencia eficiente de información entre dos regiones distantes.

Los electrones no sólo poseen carga, sino también otra propiedad que se manifiesta  en dispositivos extremadamente pequeños, que requieren de la mecánica cuántica para ser descritos: el espín. “Se trata de una propiedad que define el estado del electrón. Uno puede imaginarse un electrón con el espín apuntando hacia arriba, girando en el sentido de las agujas del reloj y, por el contrario, con el espín hacia abajo, girando en el sentido contrario a las mismas”, explica la investigadora del CSIC Gloria Platero, que trabaja en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid. 

La figura de arriba muestra la corriente a través de tres puntos cuánticos, en un campo magnético de 0.2 Teslas en las dos direcciones del voltaje.  La corriente se apaga en las regiones de bloqueo de espín (“Spin Blockade”). En la figura de abajo, se muestra la corriente a través de tres puntos cuánticos sin la presencia de un campo magnético. Las líneas L-R indican corriente electrónica de izquierda (L) a  derecha (R) sin pasar por el punto  cuántico central./ CSIC

De acuerdo con el principio de exclusión de Pauli, una ley fundamental de la mecánica cuántica enunciada por Wolfgang Ernst Pauli en 1925, dos electrones no pueden tener números cuánticos iguales, que son los que definen su estado. En este trabajo, esto se traduce en que no pueden tener los espines apuntando en la misma dirección en un mismo punto cuántico.

Platero precisa: “Por tanto, si hay un electrón con espín hacia arriba en un átomo o punto cuántico de la cadena, otro electrón situado en el átomo vecino con el espín hacia arriba no puede pasar al primero y se queda bloqueado en el punto cuántico en el que se encuentra inicialmente. Este fenómeno se denomina bloqueo de espín y provoca que la corriente electrónica a través de la cadena de puntos cuánticos decrezca abruptamente y deje de fluir a través del circuito”.

Los científicos han estudiado este fenómeno a través de tres puntos cuánticos y han observado que el efecto es además bipolar, ya que ocurre cuando se aplica un voltaje a ambos extremos de la cadena en un sentido o en el inverso.  La interrupción de la corriente debido al bloqueo de espines permite manipular los bits cuánticos confinados en estos sistemas, una manipulación potencialmente más versátil y rica que en otros estudiados en trabajos previos.

La investigación abre nuevos horizontes para su potencial aplicación en la computación e información cuántica. “Otra propiedad sorprendente es que, en este circuito, los electrones se transfieren entre los  extremos sin ocupar la región intermedia gracias a una propiedad fundamental de la mecánica cuántica: la coherencia cuántica”, indica la investigadora del CSIC.

Según el equipo español implicado en el trabajo, los resultados son un primer paso para diseñar y analizar el transporte electrónico a través de cadenas de más de tres puntos cuánticos. Las  potenciales aplicaciones tendrían proyección, no sólo en campos como la información y computación cuánticas, sino también en la espintrónica, donde el espín, en lugar de la carga, es el que determina las propiedades del circuito nanoelectrónico.

“Hemos demostrado que es posible transportar electrones de un extremo a otro sin ocupar la región intermedia en sistemas de dimensión nanométrica. Los procesadores cuánticos, que requieren mantener intacta la transferencia de datos a largas distancias, podrían llegar a beneficiarse de este estudio”, resaltan los investigadores.

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    M. Busl, G. Granger, L. Gaudreau, R. Sánchez, A. Kam, M. Pioro-Ladrière, S. A. Studenikin, P. Zawadzki, Z. R. Wasilewski, A. S. Sachrajda y G. Platero. Bipolar spin blockade and coherent state superpositions in a triple quantum dot. Nature nanotechnology. DOI: 10.1038/NNANO.2013.7.

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