Observación experimental del fraccionamiento del espín en un material orgánico

Investigación UPV/EHU

Una cadena con siete nanografenos triangulares (triangulenos) depositada en una superficie de oro es sondeada con un microscopio de efecto túnel. Mientras que cada trianguleno tiene espín 1, las correlaciones cuánticas a lo largo de la cadena dan lugar a la emergencia de dos espines ½, representados de color azul y rojo en los bordes de la cadena. (Imagen: EMPA)

Nos resulta de sentido común el que unidades sencillas se unan para formar estructuras más complicadas. Así, los átomos se unen para formar moléculas, que a su vez se combinan formando células y estas forman tejidos, dando lugar por último a seres vivos. En el mundo cuántico, este proceso puede ocurrir en dirección contraria, de forma que la interacción entre cosas “complejas” da lugar a cosas más “sencillas”. Así, en ciertas circunstancias, como el efecto Hall cuántico fraccionario, la interacción entre electrones, partículas indivisibles con carga eléctrica e, puede dar lugar a la emergencia de partículas con carga e/3. Este fenómeno se conoce como fraccionamiento.

Todas las partículas elementales poseen propiedades intrínsecas como masa o carga, que nos resultan intuitivas, y otras que nos lo son menos, como el espín, pero que podemos visualizar como una brújula. A diferencia de las brújulas normales, que pueden apuntar en cualquier dirección, el espín de los sistemas cuánticos está cuantizado, valga la redundancia, y únicamente puede tomar un conjunto discreto de valores. Por ejemplo, decimos que el espín del electrón es 1/2 y puede tomar únicamente dos valores, +1/2 y -1/2. Partículas con espín 1 pueden tomar tres valores, +1, 0 y -1.

En los años 80 el físico inglés Duncan Haldane construyó un modelo matemático para partículas de espín 1 en el que se producía el fraccionamiento de los espines. Así, una cadena unidimensional de partículas indivisibles de espín 1, interactuando con sus vecinas, daba lugar a la aparición de partículas de espín 1/2 en los bordes de la cadena. Igual que el truco de magia en el que el mago que corta en dos mitades a una persona y las separa, el modelo de Haldane permite fraccionar espines 1 y separarlos. Se trata de uno de los modelos centrales del magnetismo cuántico, un trabajo que le valió el premio Nobel en 2016.

La verificación experimental de esta predicción era complicada por varios motivos, empezando por el hecho de que no existen materiales unidimensionales. Había evidencia indirecta del fenómeno de fraccionamiento del espín en materiales orgánicos que contienen cadenas de átomos magnéticos, pero faltaba una observación directa. Ahora esa observación se ha llevado a cabo por un equipo internacional de investigadores, entre los que se encuentra el investigador Ikerbasque David Jacob, del Departamento de Polímeros y Materiales Avanzados: Física, Química y Tecnología de la Facultad de Química de la UPV/EHU, que ha colaborado en este trabajo con el INL, la Universidad de Alicante, el EMPA en Zurich y la Universidad de Dresde.

Para conseguirlo los investigadores han combinado técnicas de química orgánica con ciencia de superficies en ultraalto vacío para sintetizar moléculas de grafeno con espín 1 que forman cadenas unidimensionales. Usando un microscopio de efecto túnel los investigadores han podido estudiar los estados cuánticos de la cadena depositada en una superficie de oro, con resolución atómica, compararlos con los predichos por la teoría, y establecer que en efecto el sistema se comporta como el modelo de Haldane. En particular, en cadenas con un número suficientemente alto de moléculas magnéticas, los investigadores encontraron en los extremos de la cadena resonancias Kondo, un fenómeno que ocurre cuando partículas de espín ½ interactúan con los electrones de un conductor como el oro.

Los investigadores afirman que este trabajo “muestra el potencial para usar nanografenos para formar redes bidimensionales de nanoimanes que permitan comprobar predicciones análogas a las de Haldane, como por ejemplo la existencia de estados cuánticos que permitirían realizar la computación cuántica”.

Referencia:

Shantanu Mishra, Gonçalo Catarina, Fupeng Wu, Ricardo Ortiz, David Jacob, Kristjan Eimre, Ji Ma, Carlo A. Pignedoli, Xinliang Feng, Pascal Ruffieux, Joaquín Fernández-Rossier, Roman Fasel (2021) Observation of fractional edge excitations in nanographene spin chains Nature doi: 10.1038/s41586-021-03842-3

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por UPV/EHU Komunikazioa

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