Los últimos descubrimientos podrían ser un paso crucial para el desarrollo de transistores de próxima generación destinados a computadoras.
Las propiedades del hexaboruro de samario (SmB6) brindan la posibilidad de hallar en la naciente era cuántica el equivalente de lo que representa el silicio en la electrónica actual, teniendo en cuenta que los últimos descubrimientos podrían ser un paso crucial para el desarrollo de transistores de próxima generación destinados a computadoras cuánticas.
Desde finales de los sesentas la clasificación del hexaboruro de samario había sido un misterio: durante años se creyó que era un aislante con imperfecciones que se comportaba como un metal a bajas temperaturas debido a defectos e impurezas, pero el SmB6 presentaba elementos que no se ajustaban a esta clasificación.
Por ello, cuando varios años atrás se sugirió por vez primera que el material podía ser un aislante topológico —es decir, un material sólido que por su superficie conduce electricidad como un metal, pero a través de su interior bloquea el flujo de corriente—, las piezas del rompecabezas comenzaron a encajar.
En 2010 un equipo de científicos de la Universidad de Michigan liderado por el físico Kai Sun postuló que el hexaboruro de samario podría ser un aislante topológico luego de un experimento en el que también participó Jim Allen, profesor emérito de Física, quien llevaba estudiando ese material durante tres décadas sin poder alinear todas sus propiedades al razonar que se trataba de un metal imperfecto.
Más tarde, en 2012, tanto Jim Allen como Kai Sun participaron en otro experimento liderado por el profesor Cagliyan Kurdak y demostraron indirectamente que la hipótesis era correcta.
No obstante, fue hasta finales de 2014 cuando otro equipo de la Universidad de Michigan liderado por Lu Liproporcionó por primera vez evidencia directa de que el hexaboruro de samario es un aislante topológico.
Para este logro el equipo utilizó una técnica llamada magnetometríade torsión para observar oscilaciones que delatan la respuesta de este material a un campo magnético que revela cómo se mueve la corriente eléctrica a través de él. La técnica mostró además que la superficie del hexaboruro de samario presenta raros electrones Dirac, partículas con el potencial de ayudar a los investigadores a superar uno de los mayores obstáculos en la computación cuántica.
Estas propiedades son particularmente atractivas para los científicos porque el SmB6 es considerado un material fuertemente correlacionado: sus electrones interactúan estrechamente entre sí, más que la mayoría de los sólidos, lo cual ayuda a que su interior pueda mantener el comportamiento eléctrico de bloqueo.
La comprensión más profunda de hexaboruro de samario plantea la posibilidad de que los ingenieros puedan un día enrutar el flujo de corriente eléctrica en ordenadores cuánticos, tal como lo hace el silicio en la electrónica convencional, explica Lu Li.
“Antes de esto nadie había encontrado electrones Dirac en un material fuertemente correlacionado. Pensábamos que la fuerte correlación los dañaría, pero ahora sabemos que no es así”, agrega el científico.
Lo descubierto en la nueva investigación también resuelve el enigma de 1960 sobre cómo clasificar a este material.
Perspectivas
A diferencia de otros aislantes topológicos, las propiedades aislantes del SmB6 se basan en un fenómeno especial conocido como efecto Kondo: este impide que el flujo de electrones sea destruido por irregularidades en la estructura del material.
Esto hace del SmB6 un aislante topológico Kondo muy robusto y eficiente también para la espintrónica, un campo emergente de la electrónica donde los dispositivos funcionan con la manipulación del giro de los electrones y no con la corriente generada por su movimiento. Este campo puede ofrecer importantes ventajas a la tecnología informática, donde el control de giro del electrón se logra con este tipo de material de aislante topológico, que conduce electrones sólo a través de su superficie pero no a través de su interior.
Ahora, con la confirmación de que es un aislante topológico, el hexaboruro de samario se convierte en uno de estos aislantes ideales y robustos para ser utilizados en el futuro en ordenadores cuánticos que usan partículas como átomos o electrones para realizar tareas de procesamiento y memoria.
Dada su capacidad de factorizar números mucho más rápido que los ordenadores convencionales, podrían mejorar claramente la seguridad del equipo y ofrecer aumentos espectaculares en la potencia de cálculo debido a su capacidad para llevar a cabo decenas de cálculos a la vez.
En los ordenadores cuánticos los qubitssustituyen a los 0 y 1 del código binario de los ordenadores convencionales, donde se cuenta un 0 o un 1; un qubit puede ser ambas cosas a la vez, por lo menos hasta que se mida, pues medir un sistema cuántico obliga a elegir un estado, lo que elimina su principal ventaja.
Los electrones Dirac —nombrados así en honor del físico inglés cuyas ecuaciones describen su comportamiento, se sitúan entre los reinos de la física clásica y la cuántica, aclara Li.
Trabajando en conjunto con otros materiales podrían ser capaces de aglutinarse en un nuevo tipo de qubit que cambiaría las propiedades de un material de manera que podría medirse indirectamente, sin sentirlo el qubit, y este podría permanecer en ambos estados.
El único inconveniente de hexaboruro de samario hasta el momento es que los investigadores solo observaron estos comportamientos a temperaturas ultrafrías.
En 2004 los físicos teóricos Charles Kane y Joel Moore predijeron que podrían existir materiales tridimensionales aislantes con estas propiedades y les llamaron aislantes topológicos.