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Los bits se vuelven antiesquirmions
El mundo actual, que cambia rápidamente debido a «big data», está encapsulado en miles de millones de pequeños objetos magnéticos -bits magnéticos- cada uno de los cuales almacena un bit de datos en unidades de disco magnético. Un grupo de científicos de los Institutos Max Planck de Halle y Dresde han descubierto un nuevo tipo de nano-objeto magnético en un material novedoso que podría servir como un bit magnético con propiedades de invisibilidad para hacer realidad en un futuro próximo una unidad de disco magnético sin partes móviles – una memoria Racetrack.
La mayoría de los datos digitales se almacenan en la nube como bits magnéticos dentro de números masivos de unidades de disco magnético. En las últimas décadas, estos bits magnéticos se han reducido en muchos órdenes de magnitud, llegando a límites donde los límites de estas regiones magnéticas pueden tener propiedades especiales. En algunos materiales especiales estos límites – «paredes de dominio magnético» – pueden ser descritos como topológicos. Lo que esto significa es que se puede pensar que estas paredes tienen un manto mágico especial – lo que los científicos llaman «protección topológica». Una consecuencia importante es que tales paredes magnéticas son más estables a las perturbaciones que los bits magnéticos similares sin protección topológica que se forman en materiales magnéticos convencionales. Así pues, estos objetos magnéticos «topológicos» podrían ser especialmente útiles para almacenar «1»y «0»los elementos básicos de los datos digitales.
Uno de estos objetos es un «esqurmión magnético» que es una pequeña región magnética, tal vez de decenas a cientos de átomos de ancho, separado de una región magnética circundante por una pared de dominio quiral. Hasta hace poco solo se ha encontrado un tipo de esqurmión, el que está rodeado por una pared de dominio quiral que toma la misma forma en todas las direcciones. Pero hanbhabido predicciones de varios otros tipos de esqurmiones que aún no se han observado. En un artículo publicado en Nature, científicos del departamento NISE del Prof. Stuart Parkin en el Instituto Max Planck para la Física de Microestructuras en Halle, Alemania, han encontrado una segunda clase de esquirmiones, lo que se llama «antisesquirmiones», en materiales sintetizados en el Departamento de Química de Estado Sólido del Prof. Claudia Felser en el Instituto Max Planck para CPFS, Dresden, Alemania.
Los científicos de Halle y Dresden han encontrado estos diminutos objetos magnéticos en una clase especial de compuestos magnéticos versátiles llamados Heusler que Claudia Felser y sus colegas han explorado extensamente durante los últimos 20 años. De estos compuestos de Heusler, un pequeño subconjunto tiene la simetría cristalina justa para permitir la posibilidad de formar antiesquirmiones pero no sesquirmiones. Utilizando un microscopio electrónico de transmisión altamente sensible en el Instituto Max Planck para Física de Microestructuras, Halle, que fue especialmente modificado para permitir la detección de pequeños momentos magnéticos, se crearon y detectaron antiesquirmiones sobre una amplia gama de temperaturas y campos magnéticos. Y lo que es más importante, los antiesquirmiones, tanto en arreglos ordenados como en objetos aislados, se podían ver incluso a temperatura ambiente y en campos magnéticos cero.
Las propiedades especiales de ocultación de los esquirmiones los hace de gran interés para una forma radicalmente nueva de memoria de estado sólido – Memoria Racetrak – que fue propuesta por Stuart Parkin hace una década. En Racetrack, los datos digitales están codificados dentro de las paredes del dominio magnético, que se encuentran dentro de cables magnéticos nanoscópicos. Una de las características únicas de Racetrack, que es diferente a todas las demás memorias, es que las paredes se mueven alrededor de los nanocables usando descubrimientos recientes en la espin-orbitrónica. Los pulsos muy cortos de corriente mueven todas las paredes del dominio hacia atrás y hacia adelante a lo largo de los nanocables. Las paredes -las puntas magnéticas- pueden ser leídas y escritas por dispositivos incorporados directamente en los propios nanohilos, eliminando así cualquier pieza mecánica. Las paredes magnéticas protegidas topológicamente son muy prometedoras para las memorias Racetrack.
Por lo tanto, los antisesquirmiones podrían aplicarse a las memorias Racetrack pronto. Yendo incluso más allá de los antiesquirmiones el siguiente objetivo es la realización de una tercera clase de esquirmiones – esquirmiones antiferromagnéticos- que son diminutos objetos magnéticos que realmente no tienen ningún momento magnético neto. Son magnéticamente casi invisibles pero tienen propiedades únicas que los hacen de gran interés.
Ampliar en: Ajaya K. Nayak et al, Magnetic antiskyrmions above room temperature in tetragonal Heusler materials, Nature (2017). DOI: 10.1038/nature23466
El entrelazamiento es una característica inevitable de la realidad
¿Es realmente necesario el entrelazamiento para describir el mundo físico, o es posible tener alguna teoría post-cuántica sin entrelazamiento?
En un nuevo estudio, físicos han probado matemáticamente que cualquier teoría que tenga un límite clásico -es decir, que pueda describir nuestras observaciones del mundo clásico recuperando la teoría clásica bajo ciertas condiciones- debe contener entrelazamientos. Así que a pesar de que el entrelazamiento va en contra de la intuición clásica, el entrelazamiento debe ser una característica inevitable no sólo de la teoría cuántica, sino también de cualquier teoría no clásica, incluso de las que aún están por desarrollar.
Los físicos, Jonathan G. Richens en el Imperial College London y el University College London, John H. Selby en el Imperial College London y la Universidad de Oxford, y Sabri W. Al-Safi en la Universidad de Nottingham Trent, han publicado un artículo estableciendo el entrelazamiento como una característica necesaria de cualquier teoría no clásica en un número reciente de Physical Review Letters.
«La teoría cuántica tiene muchas características extrañas en comparación con la teoría clásica», dijo Richens a Phys. org. «Tradicionalmente estudiamos cómo el mundo clásico emerge del cuántico, pero nos propusimos revertir este razonamiento para ver cómo el mundo clásico da forma al cuántico. Al hacerlo, demostramos que uno de sus rasgos más extraños, el entrelazamiento, no es nada sorprendente. Esto insinúa que gran parte de la aparente extrañeza de la teoría cuántica es una consecuencia inevitable de ir más allá de la teoría clásica, o tal vez incluso una consecuencia de nuestra incapacidad para dejar atrás la teoría clásica».
Aunque la prueba completa es muy detallada, la idea principal detrás de ella es simplemente que cualquier teoría que describa la realidad debe comportarse como una teoría clásica en algún límite. Este requisito parece bastante obvio, pero como muestran los físicos, imparte fuertes restricciones a la estructura de cualquier teoría no clásica.
La teoría cuántica cumple este requisito de tener un límite clásico a través del proceso de decoherencia. Cuando un sistema cuántico interactúa con el entorno externo, el sistema pierde su coherencia cuántica y todo lo que lo hace cuántico. Así que el sistema se vuelve clásico y se comporta como se espera de la teoría clásica.
Aquí, los físicos muestran que cualquier teoría no clásica que recupere la teoría clásica debe contener estados entrelazados. Para demostrarlo, asumen lo contrario: que tal teoría no tiene entrelazamiento. Entonces demuestran que, sin entrelazarse, cualquier teoría que recupere la teoría clásica debe ser la teoría clásica en sí misma, una contradicción de la hipótesis original de que la teoría en cuestión no es clásica. Este resultado implica que la suposición de que tal teoría no tiene entrelazado es falsa, lo que significa que cualquier teoría de este tipo debe tener entrelazado.
Este resultado puede ser sólo el comienzo de muchos otros descubrimientos relacionados, ya que abre la posibilidad de que otros rasgos físicos de la teoría cuántica puedan reproducirse simplemente exigiendo que la teoría tenga un límite clásico. Los físicos anticipan que características como la causalidad de la información, la simetría de bits y la ubicación macroscópica pueden aparecer como resultado de este único requisito. Los resultados también proporcionan una idea más clara de cómo debe ser cualquier teoría futura no clásica, post-cuántica.
«Mis metas futuras serían ver si la no-localidad de Bell también puede derivarse de la existencia de un límite clásico», dijo Richens. «Sería interesante si todas las teorías que reemplazan a la teoría clásica violaran el realismo local. También estoy trabajando para ver si ciertas extensiones de la teoría cuántica (como la interferencia de orden superior) pueden ser descartadas por la existencia de un límite clásico, o si este límite imparte restricciones útiles a estas’ teorías post-cuántico'».
Ampliar en: Jonathan G. Richens, John H. Selby, and Sabri W. Al-Safi. «Entanglement is Necessary for Emergent Classicality in All Physical Theories.» Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.080503
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