Un nuevo giro a los dispositivos cuánticos moleculares
La quiralidad(se abrirá en una nueva ventana) es un principio natural según el cual ciertos objetos, como las moléculas, no pueden superponerse con su imagen especular, al igual que ocurre con la mano izquierda y la derecha. En física, se manifiesta a través del espín de las partículas, cuyo sentido de giro puede ser horario o antihorario. Es un fenómeno con interesantes implicaciones para innovaciones revolucionarias. «Aprovechar la manera en que las moléculas biológicas usan la quiralidad para reconocerse e interactuar entre sí podría ayudar a controlar el flujo de información, aumentando el poder de procesamiento de las aplicaciones cuánticas», explica Roberta Sessoli(se abrirá en una nueva ventana), de la Universidad de Florencia. Cuando se aplica un sesgo eléctrico, la quiralidad puede aprovecharse mediante la selectividad de espín inducida por la quiralidad(se abrirá en una nueva ventana) (CISS, por sus siglas en inglés), un fenómeno por el cual los electrones que viajan a través de un medio quiral llegan a su destino con una dirección de espín dominante. «Aunque controlar la quiralidad del espín es relativamente sencillo, requiere campos magnéticos muy intensos o bajas temperaturas, lo que limita su aplicación», comenta Sessoli, investigadora principal del proyecto CASTLE, financiado por el Consejo Europeo de Investigación(se abrirá en una nueva ventana).
Dejar que la naturaleza haga gran parte del trabajo
Para hacer frente a esta limitación, el proyecto aunó a equipos de ambos lados del Atlántico para encontrar soluciones en las que la naturaleza haga gran parte del trabajo. No obstante, el equipo de CASTLE primero tuvo que confirmar que el efecto CISS se origina en las propiedades de las moléculas quirales, a través de las cuales fluyen los electrones. Este proyecto financiado con fondos europeos permitió al equipo estadounidense capitalizar los conocimientos y la experiencia del equipo europeo, y viceversa. La Universidad Northwestern, miembro estadounidense del equipo del proyecto, creó un sistema que incluía un componente molecular que acepta electrones con facilidad (el aceptor) y otro que tiende a liberarlos (el donador). Ambos componentes se conectaron a extremos opuestos de una molécula quiral. Al iluminar la molécula, el electrón se desplaza con rapidez desde el donador al aceptor a través de la molécula quiral, lo que resulta en una rotación controlada del espín electrónico. «Se desconocía si el efecto CISS se debía a los electrodos metálicos en los dispositivos o a una propiedad intrínseca de la molécula», comenta Michael Wasielewski(se abrirá en una nueva ventana), coordinador del equipo estadounidense en la Universidad Northwestern(se abrirá en una nueva ventana). «Hemos demostrado de manera concluyente que, en efecto, se trata de una propiedad molecular».
Fabricación de circuitos cuánticos
Utilizar la luz para mover electrones a través de materiales quirales podría permitir fabricar circuitos cuánticos ensamblando una red de componentes moleculares quirales. Dado que aún no está claro cómo la magnitud del efecto CISS influye en el grado de rotación del espín electrónico a lo largo de una distancia determinada, se están desarrollando instrumentos para cuantificarlo. En este sentido, y los primeros modelos ya han demostrado ser capaces de hacer predicciones. El carácter internacional y eminentemente colaborativo de CASTLE fue clave para alcanzar estos primeros éxitos. «Ninguno de nosotros podría haberlo logrado por separado», apunta Sessoli. Por ejemplo, los miembros del equipo estadounidense aportaron conocimientos fundamentales sobre la transferencia fotoinducida de electrones y del empleo de técnicas de medición por resonancia magnética. «La exposición de los investigadores noveles a las fortalezas relativas de distintos planteamientos —en concreto al énfasis estadounidense en el análisis costo-beneficio— ha complementado el planteamiento europeo, más colaborativo y experimental», agrega Sessoli. Al mismo tiempo, los investigadores estadounidenses pudieron participar en una investigación internacional que ha promovido el conocimiento fundamental.
Nuevas aventuras en dispositivos cuánticos
Aunque en CASTLE no se desarrollarán dispositivos concretos, sino orientaciones sobre diseños, existen aplicaciones potenciales claras. Wasielewski menciona la detección cuántica, junto con pequeños procesadores cuánticos conectados mediante materiales a escala nanométrica para dispositivos nanométricos, y añade: «La comunidad de físicos está entusiasmada con esta idea». Otras áreas en fase de investigación(se abrirá en una nueva ventana) incluyen el uso del efecto CISS en dímeros cortos de ADN para controlar el espín en chips informáticos, así como la elaboración de un «paradigma de conversión de espín a carga», que permitiría un «filtrado de espín», es decir, bloquear los electrones que no tengan el espín adecuado para lograr un mayor control. «La ubicuidad de este fenómeno lo hace muy transferible a otros campos, como la captura de luz. Dado que el espín está presente en todas partes y la quiralidad ha sido seleccionada por la naturaleza a lo largo de millones de años, existen muchas posibilidades aún por descubrir combinando ambas propiedades; podríamos estar reescribiendo algunos dogmas de los libros de texto», concluye Sessoli.