Estados magnéticos exóticos en la nanoescala

Todas las partículas elementales poseen propiedades intrínsecas como masa o carga, que resultan intuitivas, y otras como el espín, que podemos visualizar como una brújula. A diferencia de las brújulas normales, que pueden apuntar en cualquier dirección, el espín de los sistemas cuánticos está cuantizado, y únicamente puede tomar un conjunto discreto de valores. Por ejemplo, decimos que el espín del electrón es ½ y puede tomar únicamente dos valores. Partículas con espín 1 pueden tomar tres valores.

En los años 80 el físico inglés Duncan Haldane construyó un modelo matemático para partículas de espín 1 en el que se producía el fraccionamiento de los espines. Así, una cadena unidimensional de partículas indivisibles de espín 1, interactuando con sus vecinas, daba lugar a la aparición de partículas de espín ½ en los bordes de la cadena. Igual que el truco de magia en el que el mago que corta en dos mitades a una persona y las separa, el modelo de Haldane permite fraccionar espines 1 y separarlos. Se trata de uno de los modelos centrales del magnetismo cuántico, un trabajo que le valió el premio Nobel en 2016.

La verificación experimental de esta predicción era complicada por varios motivos, empezando por el hecho de que no existen materiales unidimensionales. Había evidencia indirecta del fenómeno de fraccionamiento del espín en materiales organometálicos que contienen cadenas de átomos magnéticos, pero faltaba una observación directa. Ahora, sin embargo, esa observación ha sido llevada a cabo por un equipo internacional de investigadores de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), el Laboratorio Ibérico Internacional de Nanotecnología (INL), la Universidad de Alicante, en España, los Laboratorios Federales Suizos para Ciencia y Tecnología de Materiales (EMPA) y la Universidad de Dresde, en Alemania.

El equipo, que incluye, entre otros al investigador Ikerbasque David Jacob de la UPV/EHU, así como Shantanu Mishra, Pascal Ruffieux y Roman Fasel de los EMPA, ha conseguido este difícil logro gracias a combinar técnicas de química orgánica con ciencia de superficies en vacío ultraalto para sintetizar moléculas de grafeno con espín 1 que forman cadenas unidimensionales.

De izquierda a derecha: Shantanu Mishra, Pascal Ruffieux y Roman Fasel. (Foto: Gian Vaitl / EMPA)

Usando un microscopio de efecto túnel, los investigadores han podido estudiar los estados cuánticos de la cadena depositada en una superficie de oro, con resolución atómica, compararlos con los predichos por la teoría, y establecer que en efecto el sistema se comporta como el modelo de Haldane. En particular, en cadenas con un número suficientemente alto de moléculas magnéticas, los investigadores encontraron en los extremos de la cadena resonancias Kondo, un fenómeno que ocurre cuando partículas de espín ½ interactúan con los electrones de un conductor como el oro.

Los investigadores afirman que los resultados de este estudio muestran un buen potencial para el uso de nanografenos en la formación de redes bidimensionales de nanoimanes que permitan comprobar predicciones análogas a las de Haldane, como por ejemplo la existencia de estados cuánticos aprovechables para la computación cuántica.

El estudio se titula “Observation of fractional edge excitations in nanographene spin chains”. Y se ha publicado en la revista académica Nature. (Fuente: UPV/EHU)