Hace más de dos mil años, al inventor y filósofo griego Arquímedes ya se le ocurrió la idea de usar un espejo curvo para reflejar la luz de tal manera que lo enfocara en un punto; la leyenda dice que utilizó esta técnica paraprendieron fuego a las naves de los enemigos romanos. Hoy en día, estos espejos curvos o parabólicos se utilizan en una serie de aplicaciones técnicas que van desde antenas parabólicas hasta resonadores láser, donde las ondas de luz se amplifican entre dos espejos. La física cuántica moderna también utiliza resonadores conespejos curvos.
Para estudiar átomos individuales, por ejemplo, los investigadores usan la luz enfocada por los espejos para mejorar la interacción entre las ondas de luz y los átomos. Un equipo de físicos en ETH Zurich, trabajando en el marco del Centro Nacional de CompetenciaEn Investigación de Ciencia y Tecnología Cuántica NCCR QSIT, ahora hemos logrado construir un resonador que enfoca los electrones en lugar de las ondas de luz. En el futuro cercano, dichos resonadores podrían usarse para construir computadoras cuánticas y para investigar los efectos de muchos cuerpos en los sólidos.
En sus experimentos, los investigadores posdoctorales Clemens Rössler y Oded Zilberberg utilizaron estructuras semiconductoras en las que los electrones son libres de moverse solo en un solo plano. En un extremo de ese plano hay un llamado punto cuántico: una pequeña trampa paraelectrones, de solo cien nanómetros de ancho, en los que, debido a la mecánica cuántica, los electrones existen en estados de energía bien definidos similares a los de un átomo. Por lo tanto, estos puntos cuánticos también se conocen como "átomos artificiales".A solo unos micrómetros de distancia, un electrodo doblado actúa como un espejo curvo que refleja los electrones cuando se le aplica un voltaje.
Mejores materiales
La posibilidad de enfocar electrones de esta manera ya se investigó en 1997 en la Universidad de Harvard. Sin embargo, los investigadores de ETH ahora podían trabajar con materiales mucho mejores, que fueron producidos internamente en el laboratorio de Werner Wegscheider para materiales cuánticos de semiconductores avanzados"Estos materiales son cien veces más limpios que los utilizados en ese momento", explica Rössler, "y, en consecuencia, los electrones pueden moverse sin perturbaciones cien veces más". Esto, a su vez, permite que la naturaleza de la onda mecánica cuántica de los electrones se conviertamuy claramente visible, que no era el caso en esos trabajos anteriores.
En sus experimentos, los físicos detectan esta naturaleza de onda midiendo la corriente que fluye desde el punto cuántico al espejo curvo. Esta corriente cambia de manera característica a medida que varía el voltaje aplicado. "Nuestros resultados muestran que los electrones en el resonadorno solo vuela hacia adelante y hacia atrás, sino que en realidad forma una onda estacionaria y, por lo tanto, se acopla coherentemente al punto cuántico ", enfatiza Rössler, quien desarrolló el experimento en el grupo del profesor de ETH Klaus Ensslin. A diferencia de las ondas de luz, el giro de los electronestambién hace que se comporten como pequeños imanes. De hecho, los investigadores pudieron demostrar que la interacción entre los electrones en el punto cuántico y la onda electrónica en el resonador ocurre a través del espín. "En el futuro, este acoplamiento coherente al espín podríahacen posible conectar puntos cuánticos a grandes distancias ", dice Zilberberg, quien ha desarrollado un modelo teórico para el experimento de Rössler en el grupo del profesor de ETH Gianni Blatter.
Adecuado para computadoras cuánticas
Desde hace algún tiempo, los puntos cuánticos se han considerado como posibles candidatos para hacer los llamados bits cuánticos o "qubits", que se utilizan en computadoras cuánticas. Hasta ahora, los puntos cuánticos en una computadora de este tipo necesitaban estar muy cerca deentre sí para lograr el acoplamiento necesario para realizar los cálculos. Sin embargo, esto dificultaba el control y la lectura de qubits individuales. Un acoplamiento a larga distancia a través de un resonador diseñado adecuadamente podría resolver este problema con elegancia.
La ciencia básica también podría beneficiarse de los resonadores de electrones realizados por los investigadores de ETH, por ejemplo, en estudios del efecto Kondo. Este efecto ocurre cuando muchos electrones juntos interactúan con el momento magnético de una impureza en un material. Con la ayuda de unresonador y un punto cuántico que simulan tal impureza, los físicos esperan poder estudiar el efecto Kondo con mucha precisión.
A los jóvenes postdoctorales les llevó poco más de un año pasar de la idea de su investigación, que surgió de las discusiones durante un experimento anterior, al documento que ahora se ha publicado. Zilberberg tiene una explicación simple de por quéesto podría suceder tan rápido: "Dentro de la red QSIT es fácil forjar colaboraciones espontáneas entre diferentes grupos, ya que estamos cerca tanto temática como espacialmente, y a menudo estamos involucrados en proyectos comunes de todos modos. Además, si uno necesita la opinión de un experto,generalmente hay uno al final del pasillo "
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Materiales proporcionado por ETH Zúrich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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