Un material extraño, iridiscente, que ha desconcertado a los físicos durante décadas resulta ser un estado exótico de la materia, el cual podría abrir un nuevo camino para los ordenadores cuánticos y otros aparatos electrónicos de última generación.

hexaboruro de samario

Los físicos de la Universidad de Michigan han confirmado varias propiedades del compuesto hexaboruro de samario que eleva las esperanzas de encontrar el silicio de la era cuántica. Según sus resultados también cierran el caso de la forma de clasificar este material, un misterio que ha sido investigado desde finales de la década de 1960.

Los investigadores proporcionan la primera evidencia directa de que el hexaboruro de samario, abreviado SmB6, es un aislante topológico. Los aislantes topológicos son, para los físicos, una clase interesante de sólidos que conducen la electricidad como un metal a través de su superficie, pero bloquean el flujo de corriente por su interior, como el caucho. Se comportan bajo estos dos aspectos a pesar de que su composición química es la misma en todas partes.

Los científicos de la U-M utilizaron una técnica llamada magnetometría de torsión, para observar oscilaciones que delatan la respuesta de este material a un campo magnético y que revelan cómo se mueve la corriente eléctrica a través de él. Su técnica también mostraba que la superficie del hexaboruro de samario tenía raros electrones Dirac, unas 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. Esto 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 podrían un día enrutar el flujo de corriente eléctrica en ordenadores cuánticos tal y como lo hace el silicio en la electrónica convencional, explicó Lu Li, profesor adjunto de física en el College of Literature, Science, and the Arts, y co-autor del estudio sobre estos hallazgos publicados en Science.

«Antes de esto, nadie había encontrado electrones Dirac en un material fuertemente correlacionado», dijo Li. «Pensábamos que la fuerte correlación los dañaría, pero ahora sabemos que no es así. Aunque no creo que este material sea la respuesta, ahora sabemos que esta combinación de propiedades es posible y podemos buscar otros candidatos.»

El inconveniente de hexaboruro de samario es que los investigadores sólo observaron estos comportamientos a temperaturas ultra-frías.

Los ordenadores cuánticos usan partículas, como átomos o electrones, para realizar tareas de procesamiento y memoria. Podrían ofrecer aumentos espectaculares en la potencia de cálculo debido a su capacidad para llevar a cabo decenas de cálculos a la vez. Dada su capacidad de factorizar números mucho más rápido que los ordenadores convencionales, podrían mejorar ostensiblemente la seguridad del equipo.

En los ordenadores cuánticos, los «qubits» sustituyen a los 0 y 1 del código binario de los ordenadores convencionales. Donde a modo convencional se cuenta un 0 o un 1, un qubit puede ser ambas cosas a la vez, al menos hasta que se mida. Al medir un sistema cuántico lo obliga a elegir un estado, lo que elimina su principal ventaja.

Los electrones Dirac, nombrado en honor del físico inglés cuyas ecuaciones describen su comportamiento, los sitúa entre los reinos de la física clásica y la cuántica, aclaró Li. Trabajando en conjunto con otros materiales, podrían ser capaces de la aglutinarlos en un nuevo tipo de qubit que cambiaría las propiedades de un material, de manera que podría medirse indirectamente, sin sentirlo el qubit, y éste podría permanecer en ambos estados.

Si bien estas aplicaciones son fascinantes, los investigadores están más entusiasmados con la ciencia fundamental que han descubierto.

«En el asunto de la ciencia uno tiene conceptos que te indican lo que debe ser esto o aquello, pero cuando se trata de dos cosas a un mismo tiempo, se encienden las alarmas señalando que algo interesante hay por encontrar», comentaba Jim Allen, profesor emérito de física, que estudió el hexaboruro de samario durante 30 años. «Los misterios son siempre muy intrigantes para la gente que investiga impulsadas por la curiosidad.»

Allen pensó durante años que, el hexaboruro de samario debe ser un aislante defectuoso, que se comportaba como un metal a bajas temperaturas debido a los defectos e impurezas, pero no pudo alinear eso con todas sus otras propiedades.

En 2010, Kai Sun, profesor asistente de física en la U-M, lideró un grupo que primero planteó que el SmB6 podría ser un aislante topológico. Él y Allen también estuvieron involucrados en los experimentos seminales de U-M, dirigidos por el profesor de física, Cagliyan Kurdak, en 2012, que demostraron indirectamente que la hipótesis era correcta.

«Pero la comunidad científica es siempre crítica», apuntó Sun. «Quieren evidencias muy fuertes, y pensamos que este experimento finalmente ofrece una prueba directa de nuestra teoría.»

– Fuente: Universidad de Michigan.
Publicación: G. Li, Z. Xiang, F. Yu, T. Asaba, B. Lawson, P. Cai, C. Tinsman, A. Berkley, S. Wolgast, Y. S. Eo, D.-J. Kim, C. Kurdak, J. W. Allen, K. Sun, X. H. Chen, Y. Y. Wang, Z. Fisk, L. Li. Two-dimensional Fermi surfaces in Kondo insulator SmB6. Science, 2014; 346 (6214): 1208 DOI: 10.1126/science.1250366 .
– Imagen: Hexaboruro de Samario, abreviado SmB6, es un compuesto formado del metal samario y un raro metaloide de boro. Investigadores de University of Michigan han confirmado sus inusuales propiedades eléctricas y se muestra esperanzador hacia el desarrollo de transistores de próxima generación para los ordenadores cuánticos. Crédito: Li Gang. –

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