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Crean un átomo artificial en grafeno

Científicos de la TU Wien (Viena, Austria), de la Universidad RWTH Aachen (Alemania) y de la Universidad de Manchester (Gran Bretaña) han logrado por primera vez crear un átomo artificial en grafeno. Esto abre nuevas posibilidades tecnológicas para muchos experimentos cuánticos y, sobre todo, podría resultar de gran importancia para el desarrollo de la computación cuántica.

Crean un átomo artificial en grafeno

De los átomos artificiales hablamos por primera vez en 2003, cuando un equipo de físicos chinos consiguió realizar en laboratorio agrupaciones de cristales a escala atómica.
 
Hoy día, se cree que estos átomos artificiales tienen potencial para muchas aplicaciones, por ejemplo en computación cuántica, sector  que en los últimos años se ha convertido en uno de los “santos griales” de la tecnología.
 
¿Pero qué es un átomo artificial? Imaginemos una pequeña “prisión cuántica”, en la que los electrones se comportan de manera muy diferente a como lo harían libremente en el espacio. En ella, solo pueden ocupar niveles discretos de energía, al igual que los electrones en un átomo. Por esta similitud, a este tipo de prisiones de electrones –que se pueden crear en laboratorio- se las llama «átomos artificiales».
 
Prisiones de grafeno con muchas posibilidades
 
Ahora, científicos de la TU Wien (Viena, Austria), de la Universidad RWTH Aachen (Alemania) y de la Universidad de Manchester (Gran Bretaña) han creado átomos artificiales en un material con muchas posibilidades: el  grafeno, sustancia de carbono puro que presenta átomos dispuestos en un patrón regular hexagonal,  en una hoja de un átomo de espesor.  
 
En general, «los átomos artificiales abren nuevas y excitantes posibilidades, ya que podemos dirigir directamente sus propiedades», explica el profesor Joachim Burgdorfer (TU Wien, Viena), uno de los autores del avance. Ya se ha demostrado que, en materiales semiconductores, como el arseniuro de galio, los electrones del átomo pueden ser capturados en pequeños confinamientos (estructuras conocidas como «puntos cuánticos»).
 
Al igual que en un átomo, en el que los electrones sólo pueden rodear el núcleo siguiendo ciertas órbitas, los electrones que se encuentran en dichos puntos cuánticos son forzados a estados cuánticos discretos. Pero con el uso del grafeno se abren posibilidades más interesantes.
 
«En la mayoría de los materiales, los electrones pueden ocupar dos estados cuánticos diferentes a una energía dada. La alta simetría de la red de grafeno, sin embargo, permite que dichos electrones tengan cuatro estados cuánticos diferentes, lo que abre nuevas vías para el tratamiento de la información cuántica y para su almacenamiento», explica Florian Libisch, de la TU Wien.

Alternativa eléctrica y magnética
 
La creación de átomos artificiales bien controlados en grafeno resultó ser extremadamente difícil.
 
Hay diferentes maneras de crear átomos artificiales: La más simple es poner los electrones en pequeños copos, que corten una fina capa de material. Aunque esto funciona para el grafeno, la simetría del material se rompe cuando se consigue y, en consecuencia, la especial multiplicidad (de cuatro veces) de los estados cuánticos de los electrones se reduce a la multiplicidad (doble) convencional.
 
Así que los científicos tuvieron que buscar otra manera de crear átomos artificiales en grafeno. Descubrieron entonces que no es necesario el uso de pequeños copos de grafeno para capturar electrones. En su lugar, usaron inteligentes combinaciones de campos eléctricos y magnéticos para tal fin.
 
Por un lado, con la punta de un microscopio de efecto túnel, aplicaron campos eléctricos de forma local con los que crearon pequeñas regiones dentro de la superficie del grafeno, en las que electrones de baja energía quedaban atrapados. Por otro lado, y al mismo tiempo, forzaron a esos electrones atrapados a mantener pequeñas órbitas circulares, mediante la aplicación de un campo magnético.
 
Logros y potenciales aplicaciones

Estos nuevos átomos artificiales abren nuevas posibilidades tecnológicas para muchos experimentos cuánticos. Por ejemplo, permiten cuatro estados electrónicos localizados con la misma energía, lo que sería de gran utilidad para el almacenamiento de información.

Además, en este caso, los electrones atrapados pueden preservar superposiciones arbitrarias durante mucho tiempo, lo que supone una propiedad ideal para los ordenadores cuánticos.

Por último, el nuevo método tiene la gran ventaja de la escalabilidad, esto es, permitiría instalar muchos de estos átomos artificiales en un pequeño chip, con el fin de utilizarlos para aplicaciones de información cuántica.

Referencia bibliográfica:

Nils M. Freitag, Larisa A. Chizhova, Peter Nemes-Incze, Colin R. Woods, Roman V. Gorbachev, Yang Cao, Andre K. Geim, Kostya S. Novoselov, Joachim Burgdörfer, Florian Libisch, Markus Morgenstern. Electrostatically Confined Monolayer Graphene Quantum Dots with Orbital and Valley Splittings. Nano Letters (2016). DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02548.

RedacciónT21

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