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Lunes, 24 abril 2017
Ciencia de los Materiales

Posible uso de cristales líquidos cuánticos en la computación del futuro

Unos físicos han descubierto el primer cristal líquido cuántico tridimensional, un nuevo estado de la materia que podría tener aplicaciones en los ordenadores cuánticos ultrarrápidos del futuro.

 

El equipo de David Hsieh y John Harter, del Instituto Tecnológico de California (Caltech) en Estados Unidos, ha detectado la existencia de un estado de la materia fundamentalmente nuevo que puede ser considerado como un análogo cuántico de un cristal líquido. Se cree que numerosas clases de tales cristales líquidos cuánticos pueden existir; por tanto, el hallazgo hecho ahora es probablemente la punta del iceberg.

 

Los cristales líquidos se hallan en algún punto entre un líquido y un sólido: están hechos de moléculas que fluyen libremente como si fueran un líquido, pero todas están orientadas en la misma dirección, como en un sólido. Se pueden encontrar en la naturaleza, como en las membranas celulares biológicas. Pero también se pueden elaborar artificialmente, como los de las pantallas de cristal líquido usadas habitualmente en relojes, smartphones, televisores y otros objetos que disponen de pantallas de ese tipo.

 

En un cristal líquido “cuántico”, los electrones se comportan como las moléculas en los cristales líquidos clásicos. Es decir, los electrones se mueven libremente pero aún poseen una dirección preferida de flujo. El primer cristal líquido cuántico fue descubierto en 1999 por Jim Eisenstein, del Caltech. El cristal líquido cuántico de Eisenstein era bidimensional a efectos prácticos, lo que significa que estaba confinado a un único plano dentro del material anfitrión (un metal basado en arseniuro de galio creado artificialmente). Tales cristales líquidos cuánticos bidimensionales han sido encontrados desde entonces en varios materiales más, incluyendo superconductores de alta temperatura. Estos son materiales que conducen electricidad con resistencia cero sometidos a temperaturas situadas alrededor de los 150 grados centígrados bajo cero, lo cual es más caliente que las temperaturas de operación de los superconductores tradicionales, muy cercanas al Cero Absoluto (unos 273 grados centígrados bajo cero).

 

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Estas imágenes muestran patrones de luz generados por un cristal basado en el renio usando un método láser especial. A la izquierda, el patrón procede de la retícula atómica del cristal. A la derecha, el cristal se ha convertido en un cristal líquido cuántico tridimensional, mostrando un cambio drástico del patrón debido únicamente a la retícula atómica. (Imágenes: Hsieh Lab/Caltech)

 

Ahora Harter, Hsieh y sus colegas, incluyendo especialistas del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y de la Universidad de Tennessee, ambas entidades en Estados Unidos, han descubierto el primer cristal líquido cuántico tridimensional. Comparado con uno 2D, el de la modalidad 3D es incluso más extraño. Aquí, los electrones no solo distinguen entre los ejes X, Y, Z, sino que también poseen diferentes propiedades magnéticas dependiendo de si fluyen hacia delante o hacia atrás en un eje dado.

 

Los cristales líquidos cuánticos 3D podrían desempeñar papeles importantes en el campo de la llamada espintrónica, en la cual la dirección del espín de los electrones podría ser explotada para crear chips de ordenador más eficientes. Mientras los circuitos eléctricos hacen circular a los electrones gracias a su carga, los circuitos de la espintrónica funcionarían basándose en el espín. El espín es una manifestación de la mecánica cuántica que podría describirse como apuntando hacia "arriba" o hacia "abajo". Constituye una propiedad fundamental del electrón y es responsable de la mayoría de los fenómenos magnéticos. Gracias a las peculiaridades de los circuitos espintrónicos, en ellos operaciones típicas de la circuitería clásica, como la conmutación (el mecanismo que en los ordenadores produce los ceros y los unos del código binario) podrían ser realizadas más deprisa y usando menos energía.

 

El nuevo avance podría ayudar también a solucionar algunos retos en la construcción de un ordenador cuántico de utilidad práctica. La computación cuántica se basa en aprovechar la naturaleza cuántica de las partículas para realizar cálculos más allá del alcance de cualquier ordenador convencional, incluyendo las supercomputadoras más potentes que existen.

 

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