Pares o nones: una sola molécula marca la diferencia en el mundo cuántico
El personal investigador del grupo Microscopía de Detección Cuántica de CIC nanoGUNE, en colaboración con químicos del CiQUS de la Universidad de Santiago de Compostela, han demostrado que añadir o retirar una sola molécula de una cadena cuántica puede cambiar radicalmente su interacción con un superconductor. La clave está en una propiedad tan sencilla como la paridad, es decir, si la cadena contiene un número par o impar de unidades: mientras que las cadenas con un número impar interactúan magnéticamente con el superconductor, las que tienen un número par no lo hacen. Los resultados de este estudio se han publicado en la prestigiosa revista Nature.
Las cadenas están formadas por triangulenos, pequeños fragmentos triangulares de grafeno que albergan un espín (S=1). Cuando estas unidades magnéticas se enlazan entre sí, sus espines interaccionan y forman un estado cuántico colectivo conocido como fase de Haldane, predicho teóricamente hace más de cuatro décadas. Una de sus propiedades más singulares es que una cadena construida con unidades de espín entero desarrolla en sus dos extremos estados fraccionarios con espín, es decir, objetos cuánticos con la mitad de ese espín (S=1/2).
El equipo investigador se propuso estudiar qué sucede cuando estos estados fraccionarios entran en contacto con un superconductor. Abordar esta cuestión planteaba, sin embargo, un reto experimental. Las superficies de oro son la plataforma necesaria para fabricar nanoestructuras de carbono con precisión atómica mediante técnicas de síntesis on-surface, pero este metal no presenta propiedades superconductoras. Otros materiales, como el niobio, sí son superconductores, aunque no ofrecen el mismo entorno químico para llevar a cabo este tipo de síntesis.
Para superar esta limitación, el personal investigador desarrolló una estrategia basada en el crecimiento de una película de oro de entre 25 y 30 capas atómicas de espesor sobre un cristal de niobio. La película de oro adquiere superconductividad gracias a su proximidad al superconductor. El resultado es una plataforma que combina las características de ambos materiales: conserva el entorno químico del oro y presenta, desde el punto de vista electrónico, las propiedades de un superconductor.
Las medidas realizadas mediante microscopía y espectroscopía de efecto túnel revelaron un claro efecto de paridad. En las cadenas formadas por un número impar de triangulenos, el personal investigador observó una señal característica de la interacción entre un momento magnético y el estado superconductor. En cambio, en las cadenas con un número par de triangulenos, estas señales desaparecen, lo que evidencia el papel determinante del número de unidades en la interacción con el superconductor.
“Las moléculas magnéticas son candidatas a servir de bits cuánticos, y un superconductor ofrece un entorno donde leerlos y protegerlos del ruido. El reto es controlar su interacción. Estos resultados muestran un método para encender o apagar la interacción de las cadenas con el superconductor cambiando su longitud en una sola unidad”, señala Nacho Pascual, Profesor Ikerbasque en nanoGUNE. “Más allá del resultado fundamental, el trabajo establece una plataforma para combinar dos herramientas hasta ahora difíciles de reunir: la construcción de materiales moleculares con precisión atómica y la superconductividad”, añade. “Esto permitirá explorar de forma controlada cómo estados magnéticos, correlaciones cuánticas y fases topológicas interactúan con un condensado superconductor, diseñando estas interacciones molécula a molécula”, señala Nacho Pascual.
Este trabajo ha sido financiado por MOLSENSE, un proyecto coordinado de la Agencia Estatal de Investigación, y por CONSPIRA, un proyecto Advanced Grant del Consejo Europeo de Investigación (ERC) dirigido por Nacho Pascual en CIC nanoGUNE. Ambos proyectos se complementan al combinar la síntesis química de moléculas a medida con su estudio a escala atómica mediante microscopía de efecto túnel, para fabricar nanoestructuras de grafeno y controlar su estado cuántico con microondas, con vistas a futuros sensores y tecnologías cuánticas.