La revista Physical Review Letters de la American Physical Society (APS), una de las más influyentes en el campo de la física, ha seleccionado un artículo sobre nanoimanes como “Sugerencia de los editores”, privilegio del que solo disfruta una sexta parte de los trabajos publicados, con mención explícita en la Physics Magazine. Uno de sus autores es Fernando Delgado Acosta, del Instituto de Estudios Avanzados en Física Atómica, Molecular y Fotónica de la Universidad de La Laguna, junto con científicos de la Delft University of Technology (Países Bajos) y el Center for Quantum Nanoscience de Seúl (Corea del Sur).
Con una nota de humor, el físico y matemático británico Michael Berry denominó como “puntos diabólicos” a las degeneraciones (denominación que se da a los puntos de igual energía) no accidentales entre dos estados que aparecen en una gran variedad de sistemas cuánticos. Era un guiño a la palabra italiana “diavolo”, debido al parecido entre las superficies de energía correspondientes a estos estados en un espacio de parámetros tridimensional, y el juguete infantil diábolo, cuyas dos mitades cónicas opuestas se unen en un cuello estrecho.
Aunque los efectos de estos puntos diabólicos se han observado en gran variedad de sistemas físicos, hasta ahora no había sido posible estudiarlos en un único sistema cuántico aislado, sino a través de medidas indirectas en las que se obtiene una información promediada, proceso durante el cual parte de los datos obtenidos de estos millones de pequeños sistemas estudiados simultáneamente, se pierde irremediablemente, especialmente los datos asociados a fenómenos cuánticos de interferencia.
Los autores han conseguido crear y manipular de forma individual nanoimanes formados por unos pocos átomos de hierro, así como demostrar la presencia de puntos diabólicos. Concretamente, el autor principal Robbie Elbertse, de la universidad holandesa, y sus colaboradores, demostraron cómo al preparar un estado particular de dichos nanoimanes, el tiempo de vida de los mismos puede aumentar hasta mil veces al aproximarse a un punto diabólico. Esta extrema sensibilidad de los tiempos de vida observados frente a variaciones mínimas del campo magnético en una orientación dada permite pensar en posibles aplicaciones futuras como sensores magnéticos extremadamente pequeños de alta precisión.
Usando técnicas de manipulación atómica mediante un microscopio de efecto túnel (STM, por sus siglas en inglés), en condiciones de ultra alto vacío y bajas temperaturas, los autores de este trabajo construyeron cadenas de unos pocos átomos de hierro sobre una superficie cristalina. Así observaron la formación de un patrón antiferromagnético, es decir, una estructura en la que los momentos magnéticos se alinean de forma que se alterna la dirección de los mismos. En otras palabras, que los primeros vecinos siempre tienen sus momentos magnéticos apuntando en direcciones opuestas.
Sin embargo, estos nanoimanes no responden a las leyes de la física clásica, sino que siguen los principios de la mecánica cuántica en la que aparecen, entre otras cosas, estados sin concordancia alguna con una imagen “clásica”. En particular, la presencia de estados correspondientes a la superposición de dos estados clásicos totalmente opuestos.
En general, el estado del sistema oscila rápidamente entre estos dos estados tipo superposición: el estado fundamental, de menor energía, y el primer excitado. Así, si se intentara almacenar un dato en la polaridad del momento magnético, donde un detector daría una respuesta binaria tipo “norte” o “sur”, se observaría que al interrogar al sistema (realizando una medida), la respuesta estaría cambiando constantemente entre norte y sur, impidiendo así su uso como forma de almacenamiento de datos.
En el caso de los átomos de hierro de este experimento, cuando se estudian sus niveles energéticos frente a dos componentes perpendiculares del campo magnético, tienen una estructura que recuerda al diábolo: un cono que apunta hacia arriba, correspondiente al estado fundamental, mientras que el otro cono que apunta hacia abajo corresponde al primer estado excitado. En su unión, el punto diabólico, los dos estados están degenerados.
El grupo de investigadores de este trabajo demostró que es posible manipular el estado de estas cadenas de átomos de hierro de forma que se encuentren en uno de estos conocidos puntos diabólicos. La consecuencia más apreciable es que los tiempos de permanencia en cada estado se pueden alargar enormemente, llegando incluso a un factor mil.
