Frutos de una revolución en la física, los materiales cuánticos ahora revolucionan la vida cotidiana

Este fue tema de la 12ª Conferencia de la serie FAPESP 60 años, que reunió a grandes expertos del área

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – La física cuántica, formulada durante las primeras décadas del siglo 20 por gigantes de la ciencia como Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie y Niels Bohr, tiene ya más de cien años. Pero posee un vasto campo de estudios fundamentales y aplicaciones tecnológicas relevantes en la actualidad.

En esta área cobran relieve los denominados “materiales cuánticos”, cuya investigación une a la física con la ingeniería, la ciencia de materiales y la computación cuántica y los superconductores con los aislantes topológicos, entre otras áreas y subtemas. Esta cuestión, de enorme interés teórico y práctico, constituyó el objeto abordado durante la 12ª Conferencia de la serie FAPESP 60 años, que celebra en el transcurso de 2022 el 60º aniversario de la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de São Paulo.

La apertura de este evento online estuvo a cargo del presidente de la FAPESP, Marco Antonio Zago, quien recordó el gran cambio de paradigma que generó la física cuántica, e hizo referencia a las crecientes aplicaciones de los materiales cuánticos en la vida cotidiana. La moderación de la conferencia estuvo a cargo de Marcelo Knobel, profesor titular del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (IFGW-Unicamp) y exrector de la Unicamp.

Participaron en carácter de disertantes, por orden de presentación, Amir Ordacgi Caldeira, profesor titular de la Unicamp y miembro de la Academia Brasileña de Ciencias desde el año 2000; Adalberto Fazzio, profesor titular jubilado del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IFUSP), exrector de la Universidad Federal del ABC (UFABC) y actual director de Ilum Escuela de Ciencia del Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM), y Sergio Machado Rezende, profesor emérito de Física de la Universidad Federal de Pernambuco y titular entre 2005 y 2010 del Ministerio de Ciencia y Tecnología de Brasil.

Ordacgi Caldeira efectuó una breve reseña histórica de la física cuántica, desde su fundación hasta sus desarrollos posteriores, cuyo hito lo constituyó la propuesta de una computación cuántica, formulada por Paul Benioff (1930-2022) y Richard Feynman (1918-1988).

“La realidad es cuántica”, enfatizó Ordacgi Caldeira. El investigador sostuvo a su vez que los efectos cuánticos, que quedan escondidos en las experiencias macroscópicas cotidianas, adquieren relieve en el comportamiento de las moléculas, los átomos y los objetos subatómicos, en las propiedades colectivas que generan los grandes conjuntos de partículas, tales como la superconductividad y la superfluidez, y en los efectos exóticos que se observan en los nuevos materiales.

Ordacgi Caldeira explicó luego que el bit de información, que se emplea en la computación convencional, se basa en la excitación o no de un determinado objeto físico, a través de la cual es posible codificar información bajo la forma de los números 0 y 1. En el cúbit, es decir, el bit cuántico, asociado al espín de las partículas, no existen únicamente las opciones de espín arriba y el espín abajo, sino también una superposición de ambas condiciones.

Por ende, la transición desde la computación convencional hacia la computación cuántica traería aparejada una gran ventaja. Pero es también algo inevitable debido a la creciente miniaturización de los componentes. “La cantidad de transistores existentes en un microchip se duplica cada dos años. Y los elementos se vuelven tan pequeños que se hace imposible que se rijan de acuerdo con la física clásica”, afirmó el científico.

Ordacgi Caldeira ponderó que la computación cuántica aún enfrenta un gran reto, que reside en la pérdida de coherencia de los sistemas cuánticos a manos del medio ambiente. Este fenómeno constituye en la actualidad uno de los principales campos de investigación del área.

Fazzio se hizo presente en la conferencia con el tema de la topología en la materia, que abre un nuevo y amplio campo de investigación y de aplicaciones. “La topología es una rama de la matemática que estudia las propiedades de objetos que son invariantes bajo deformaciones suaves”, definió el investigador, quien subrayó las ventajas de los aislantes topológicos con relación a los aislantes triviales.

El investigador hizo mención a un estudio publicado recientemente en la revista Science en el que se exhibe una lista de 96.196 materiales, de los cuales el 52,65 % son topológicos.

Fazzio hizo referencia también al uso de la teoría del funcional de la densidad (TFD, o DFT, por sus iniciales en inglés) para la descripción de la estructura electrónica de los materiales, especialmente de los aislantes topológicos. Cabe recordar que la teoría del funcional de la densidad es un método derivado de la mecánica cuántica bastante utilizado en física de los sólidos y en química para dilucidar estructuras moleculares complejas.

Al discurrir sobre las ventajas de los materiales cuánticos, Fazzio reprodujo algunos puntos que el expresidente estadounidense Barack Obama planteó en la Carnegie Mellon University en el año 2011, en referencia a los materiales genómicos: poseen un vasto campo de aplicación, una escala casi infinita de variabilidad de proyectos en distintas agencias, se los estudia y se los utiliza en muy diversas áreas de conocimiento, suelen imprimirle una impronta diferenciadora a los productos, y son claves para la economía y la seguridad nacional.

Machado Rezende, el último expositor del webinario, abordó especialmente la espintrónica de los materiales cuánticos, y recordó que las partículas subatómicas como el electrón poseen no solamente una carga eléctrica sino también un espín, relacionado con su momento angular implícito. De la misma manera que la electrónica utiliza la carga, la espintrónica se vale del espín. “El espín puede tener dos sentidos: arriba y abajo. Y esto hace posible su utilización como un portador de información”, afirmó.

El investigador recordó que un científico argentino radicado en Brasil, el físico Mario Baibich, de la Universidad Federal de Rio Grande do Sul, fue uno de los pioneros de la espintrónica, mediante el estudio de la denominada magnetorresistencia gigante (MRG), cuya primera aplicación se concretó años después en el cabezal de lectura de los discos duros de las computadoras. La mayor precisión de los lectores basados en MRG permitió incrementar exponencialmente el almacenamiento de datos en los discos duros.

Un fenómeno descubierto más recientemente, según Machado Rezende, es el de la corriente de espines. “Si los electrones con espín arriba y los electrones con espín abajo transitan en sentidos opuestos, la corriente de carga puede ser nula, pero la corriente de espines será distinta de cero y transportará información. Pero para poder utilizar la corriente de espines en los dispositivos, es necesario convertir de algún modo esa corriente de espines en corriente de carga”, afirmó, recordando que a este fenómeno se le da el nombre de efecto Hall de espín inverso (ISHE, por sus siglas en inglés).

Machado Rezende sostuvo que de ese modo es posible unir la espintrónica con la electrónica. E hizo referencia a un estudio publicado en el año 2002 en el cual se demostró que la superposición de una capa de material ferromagnético con una capa de material metálico hace posible “bombear” una corriente de espines desde material metálico hacia el material ferromagnético. Este fenómeno se debe la conservación del momento angular. “Esto permite convertir la dinámica de espines en corriente de espines. Y esta corriente de espines puede manipularse”, resumió.

Entre los estudios más recientes de aplicación de la espintrónica, Machado Rezende destacó las memorias RAM que se utilizan en los smartphones, por ejemplo. “Estas memorias no son eternas: se deshacen con el tiempo. Pero la memoria RAM magnética, basada en la espintrónica, no pierde información”, dijo.

Puede accederse a la 12ª Conferencia FAPESP 60 años: Materiales Cuánticos completa en el canal de Agência FAPESP en YouTube.