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Un solo átomo, la memoria más pequeña
Un átomo es igual a un bit: de acuerdo con este principio de diseño, sería posible construir memorias de datos magnéticos en el futuro. Actualmente, se necesita un compuesto de varios millones de átomos para estabilizar un bit magnético de manera que los datos del disco duro permanezcan seguros durante varios años. Sin embargo, los investigadores apenas han dado un gran paso hacia un único átomo como bit, se ha fijado un solo átomo sobre una superficie de tal forma que el espín magnético se mantuvo estable durante diez minutos. El artículo aparece en la revista Nature (DOI 10.1038/nature12759).
«A menudo, un solo átomo fijado a un sustrato es tan sensible que su orientación magnética es estable solo durante fracciones de un microsegundo (200 nanosegundos),» según explica Wulf Wulfhekel del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) . Junto con colegas de Halle, han logrado extender este período por un factor de alrededor de mil millones, hasta varios minutos. «Esto no sólo abre la posibilidad de diseñar memorias de ordenadores más compactas, sino que también podría ser la base para la configuración de los ordenadores cuánticos», dice Wulfhekel. Los ordenadores cuánticos están basados en propiedades físicas cuánticas de los sistemas atómicos. Al menos en teoría, su velocidad puede ser superior a la de los ordenadores clásicos por varios factores.
En su experimento, los investigadores colocaron un solo átomo de holmio sobre un substrato de platino. A temperaturas cercanas al cero absoluto, es decir, alrededor de un Kelvin, se mide la orientación magnética de los átomos con la fina punta de un microscopio de efecto túnel. El espín magnético cambió después de sólo unos 10 minutos. «Por lo tanto, el espín magnético del sistema es estable durante un período que es aproximadamente mil millones de veces más largo que el de los sistemas atómicos comparables,» hace hincapié Wulfhekel. Para el experimento, se aplicó un análisis novedoso del microscopio de efecto túnel. Gracias a su sistema de refrigeración especial para el rango de temperaturas cercanas al cero absoluto, está casi libre de vibraciones y permite largos tiempos de medida.
«Para estabilizar el momento magnético por períodos más largos de tiempo, se suprimió el impacto del entorno en el átomo,» indica Arthur Ernst, del Instituto Max Planck de Física de la microestructura. Realizó los cálculos teóricos para el experimento. Normalmente, los electrones del sustrato y del átomo interactúan cuánticamente y desestabilizan el espín del átomo en microsegundos o incluso más rápidamente. Cuando se utiliza holmio y platino a bajas temperaturas, las interacciones perturbadoras se excluyen debido a las propiedades de simetría del sistema cuántico. «En principio, holmio y platino son invisibles el uno al otro en la medida que se refiere a la dispersión del espín,» dice Ernst. Ahora, el espín del holmio podría ajustarse y la información puede ser escrita por medio de campos magnéticos externos. Este sería el requisito previo para el desarrollo de memorias de datos compactas u ordenadores cuánticos.
Karlsruhe Institute of Technology (KIT) es una corporación pública de acuerdo con la legislación del estado de Baden-Württemberg (Alemania). Cumple con la misión de una universidad y la misión de un centro de investigación nacional de la Asociación Helmholtz. Las actividades de investigación se centran en la energía, el medio ambiente natural y construido, así como en la sociedad y la tecnología y cubren todo el rango que va desde los aspectos fundamentales de la aplicación. Con cerca de 9000 empleados, incluyendo cerca de 6000 miembros del personal en el sector de la ciencia y la educación, y 24000 estudiantes, KIT es una de las instituciones de educación más grande de investigación de Europa. La obra de KIT se basa en el triángulo del conocimiento de la investigación, la docencia y la innovación.
Este comunicado de prensa está disponible en http://www.kit.edu .
Creando ordenadores cuánticos mediante enfriamiento de átomos
Las mejores dispositivos del futuro podrían crearse usando lo que esencialmente son los refrigeradores que funcionan a nivel atómico.
El nivel de control sobre la materia que los científicos están desarrollando servirá para crear objetos ultrafríos también puede ser usado para crear enteramente nuevos estados de la materia y superpoderosos ordenadores cuánticos, agregaron los investigadores.
Los científicos rutinariamente enfrían la materia unas pocas millonésimas de grado sobre el cero absoluto, la temperatura más baja posible en teoría, que corresponde a menos 273.15 grados Celsius. Sin embargo, les gustaría alcanzar temperaturas más frías, para entender mejor otros fenómenos extremos, como la superconductividad, en la que los electrones se desplazan sin resistencia a través de objetos.
Ahora los físicos revelan una nueva forma de lograr materia ultrafría, con una idea similar a la forma en que trabajan los frigoríficos. Bombear un fluido conocido como refrigerante en la zona que se están enfriando. Este líquido absorbe el calor. El refrigerante se bombea a un lugar donde se vuelca este calor.
Átomos fríos
En primer lugar, los investigadores enfrían los átomos de rubidio con láser. Cuando se configura correctamente, estos rayos pueden obligar a los átomos a brillar de una manera que les hace emitir más energía que la que absorben, lo que los hace más fríos.
Cuando los átomos emiten la luz como resultado de ser «golpeados» con el láser, este ejerce una ligera presión sobre ellos. Los científicos tomaron ventaja de que la presión controla los átomos, ya sea manteniéndolos en su lugar o en movimiento a su alrededor, a veces, se originan colisiones. [ Wacky Física: The Coolest Little Particles]
Luego, los investigadores hicieron que los átomos aún se enfriaran más con refrigeración por evaporación, en la cual la materia se enfría casi de la misma forma que una taza de café pierde su calor – los átomos más calientes se dejan evaporar, dejando atrás a los más fríos.
Finalmente, los investigadores utilizaron redes de láser que se conocen como «redes ópticas.» Cuando dos átomos se hacen colisionar dentro de la red óptica, las excitaciones de una suprimen las excitaciones de la otra, un fenómeno llamado «bloqueo de excitación orbital.» Los átomos excitados se retiran del sistema – eliminando entropía, cantidad de energía disponible para el trabajo – por lo tanto causando que los átomos restantes se enfríen.
En experimentos con átomos de rubidio en redes ópticas, los físicos demostraron con éxito que se podría eliminar la entropía de los átomos mediante el bloqueo de la excitación orbital. En principio, se pueden alcanzar temperaturas de 10 a 100 veces más frías que se logra actualmente, a temperaturas de decenas a centenas de una mil millonésima de grado sobre el cero absoluto. Sin embargo, lo más probable la necesidad de láseres de longitudes de onda superior, para lograrlo en la vida real, dijo el investigador Markus Greiner, físico de la Universidad de Harvard.
Materia exótica
La investigación podría ayudar a «crear nuevos estados de la materia exóticos, los nunca visto antes», dijo Greiner LiveScience. «¿Quién sabe cuáles pueden ser las propiedades de estos materiales?»
La posibilidad de crear vectores perfecta de átomos también podría ser «un buen punto de partida para una computadora cuántica de propósito general», dijo Greiner. Las computadoras cuánticas explotan la extraña naturaleza de la física cuántica – por ejemplo, cómo las partículas subatómicas efectivamente puede girar en dos direcciones opuestas al mismo tiempo – para ejecutar l para ciertos problemas los cálculos exponencialmente más rápidamente que un ordenador norma.
La investigación de ordenadores cuánticos ha sido sobre todo sobre los dispositivos diseñados para un tipo específico de problema, pero las redes ópticas podría llevar a la creación de computadoras cuánticas de propósito general que, al igual que las modernas computadoras personales, puede hacer frente a muchos tipos diferentes de problemas.
Los científicos detallaron sus hallazgos en la edición 22 de diciembre de la revista Nature.
IBM consigue almacenar información en átomos y moléculas
Investigadores del centro Almaden Research Center de IBM en California han desarrollado una técnica para medir la anisotropía magnética, una propiedad del campo magnético que le permite mantener una dirección particular. Según los expertos, la posibilidad de medir la anisotropía magnética a nivel atómico representa un paso crucial hacia la representación mediante imanes de los ceros y unos utilizados para almacenar datos en el lenguaje computacional binario.
Por otra parte, investigadores del laboratorio de IBM en Zurich (Suiza) aseguran haber utilizado una molécula individual como un conmutador electrónico que podría llegar a reemplazar los transistores usados en los chips de módem. Todavía habrán de transcurrir al menos diez años hasta que estas nuevas tecnologías puedan ser utilizadas para la creación de componentes en productos comerciales, pero los descubrimientos permitirán a los científicos dar un gran paso adelante en su búsqueda de medios para sustituir el silicio como base de la computación, según Mathew McMahon, portavoz de IBM.
Hasta el momento, para construir chips más rápidos y de menores dimensiones, IBM y otros fabricantes de procesadores, como Intel y AMD, han ido reduciendo las dimensiones requeridas por las funcionalidades de los chips desde los 90 nanómetros hasta los 65 nanómetros utilizados en las más recientes generaciones. La meta ahora es alcanzar los 45 y los 32 años durante los próximos años.
El problema es que las conexiones construidas en silicio tienden a perder más electricidad en cada paso de esta escala de reducción, y, finalmente alcanzarán un límite a partir del cual dejarán de resultar útiles. De ahí la potencial importancia del descubrimiento de los laboratorios de IBM para el futuro de la industria informática.
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