Persoal investigador do Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares da USC (CiQUS), en colaboración co grupo de Microscopía de Detección Cuántica de CIC nanoGUNE, demostrou que engadir ou retirar unha soa molécula dunha cadea cuántica pode cambiar radicalmente a súa interacción cun supercondutor. A clave está nunha propiedade tan sinxela como a paridade, é dicir, se a cadea contén un número par ou impar de unidades: mentres que as cadeas cun número impar interactúan magneticamente co supercondutor, as que teñen un número par non o fan. Os resultados deste estudo foron publicados na revista Nature.
As cadeas están formadas por triangulenos, pequenos fragmentos triangulares de grafeno que albergan un espín (S=1). Cando estas unidades magnéticas se enlazan entre si, os seus espíns interaccionan e forman un estado cuántico colectivo coñecido como fase de Haldane, predito teoricamente hai máis de catro décadas. Unha das súas propiedades máis singulares é que unha cadea construída con unidades de espín enteiro desenvolve nos seus dous extremos estados fraccionarios con espín, é dicir, obxectos cuánticos coa metade dese espín (S=1/2).
Superficies de ouro
O equipo investigador propúxose estudar que ocorre cando estes estados fraccionarios entran en contacto cun supercondutor. Abordar esta cuestión formulaba, porén, un reto experimental. As superficies de ouro son a plataforma necesaria para fabricar nanoestruturas de carbono con precisión atómica mediante técnicas de síntese sobre superficie, pero este metal non presenta propiedades supercondutoras. Outros materiais, como o niobio, si son supercondutores, aínda que non ofrecen o mesmo contorno químico para levar a cabo este tipo de síntese.
Para superar esta limitación, o persoal investigador desenvolveu unha estratexia baseada no crecemento dunha película de ouro de entre 25 e 30 capas atómicas de espesor sobre un cristal de niobio. A película de ouro adquire supercondutividade grazas á súa proximidade ao supercondutor. O resultado é unha plataforma que combina as características de ambos os materiais: conserva o contorno químico do ouro e presenta, dende o punto de vista electrónico, as propiedades dun supercondutor.
As medicións realizadas mediante microscopía e espectroscopia de efecto túnel revelaron un claro efecto de paridade. Nas cadeas formadas por un número impar de triangulenos, o persoal investigador observou un sinal característico da interacción entre un momento magnético e o estado supercondutor. Pola contra, nas cadeas cun número par de triangulenos, estes sinais desaparecen, o que evidencia o papel determinante do número de unidades na interacción co supercondutor.
Propiedades cuánticas emerxentes
“Este traballo é un exemplo de como a investigación que desenvolvemos no CiQUS contribúe ao avance das tecnoloxías cuánticas, combinando o deseño molecular, a síntese química e a física de superficies para o estudo de propiedades cuánticas emerxentes”, sinala Diego Peña, profesor de investigación Oportunius que liderou o equipo do CiQUS nesta colaboración.
“As moléculas magnéticas son candidatas a servir como bits cuánticos, e un supercondutor ofrece un contorno onde lelos e protexelos do ruído. O reto é controlar a súa interacción. Estes resultados mostran un método para acender ou apagar a interacción das cadeas co supercondutor cambiando a súa lonxitude nunha soa unidade”, sinala Nacho Pascual, profesor Ikerbasque en nanoGUNE. “Máis aló do resultado fundamental, o traballo establece unha plataforma para combinar dúas ferramentas ata agora difíciles de reunir: a construción de materiais moleculares con precisión atómica e a supercondutividade”, engade. “Isto permitirá explorar de forma controlada como estados magnéticos, correlacións cuánticas e fases topolóxicas interactúan cun condensado supercondutor, deseñando estas interaccións molécula a molécula”.
Este traballo foi financiado por MOLSENSE, un proxecto coordinado da Axencia Estatal de Investigación; por CONSPIRA, un proxecto Advanced Grant do Consello Europeo de Investigación (ERC) dirixido por Nacho Pascual en CIC nanoGUNE; e por MolDAM, un proxecto Synergy Grant do ERC liderado por Diego Peña no CiQUS. Os tres proxectos complétanse ao combinar a síntese química de moléculas á medida co seu estudo a escala atómica mediante microscopía de efecto túnel, para fabricar nanoestruturas de grafeno e controlar o seu estado cuántico con microondas, con vistas a futuros sensores e tecnoloxías cuánticas.
