Hacia un nuevo tipo de electrónica en diamante, la “valletrónica”

Dibujo20130724 Generation of valley-polarized electrons at 77 K

No hay dos sin tres. La electrónica y la espintrónica tienen compañía, la “valletrónica” (valleytronics), basada en los “valles” del espectro de energía de la banda de conducción que aparecen en un cristal que posee diferentes ejes de simetría, en lugar de la carga eléctrica o el espín de los electrones. Estos “valles” pueden atrapar electrones en momento lineal (no en posición), es decir, canalizan el flujo de carga. Cuando hay dos o más “valles” en la banda de conducción se pueden realizar dispositivos que controlen el flujo de carga atrapado en ellos. Se publica en Nature Materials el primer artículo que ha logrado controlar este fenómeno (la generación, transporte en distancias macroscópicas y detección de electrones “valle” de polarización) gracias a que en diamante los tiempos de relajación son grandes, unos 300 ns a una temperatura de 77 K. La clave del hallazgo es la ultrapureza del diamante utilizado (menos de 10-13 defectos extrínsecos por cm³). Aunque la “valletrónica” acaba de nacer y no sabemos qué futuro tendrá (ni siquiera si llegará a adulta), este tipo de investigación me parece muy sugerente. Nos lo cuenta Christoph E. Nebel, “Valleytronics: Electrons dance in diamond,” Nature Materials 12: 690–691, 23 Jul 2013, que se hace eco del artículo técnico de Jan Isberg et al., “Generation, transport and detection of valley-polarized electrons in diamond,” Nature Materials 12: 760–764, 14 Jul 2013.

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Francis en Trending Ciencia: El entrelazamiento entre cubits de diamante

Dibujo20130428 diamond qubits based on nitrogen defects

Disfruta de mi nuevo podcast para Trending Ciencia siguiendo este enlace. He elegido como tema para mi nuevo podcast sobre física una noticia sobre mecánica cuántica, en concreto, un nuevo récord de distancia en el entrelazamiento de dos cubits de estado sólido implementados mediante cristales de diamante (ya hablé de ello en este blog). El grupo de investigación del Prof. Ronald Hanson, de la Universidad Técnica de Delft, Países Bajos, ha publicado online en Nature el pasado 24 de abril un artículo cuyo primer autor es su estudiante de doctorado Hannes Bernien, que ya apareció en el servidor de preprints arxiv el 26 de diciembre del año pasado, en concreto, el artículo arxiv:1212.6136.

El artículo técnico es H. Bernien et al., “Heralded entanglement between solid-state qubits separated by three metres,” Nature, AOP 24 April 2013 [arXiv:1212.6136]. Recomiendo leer también a Richard Van Noorden, “Diamond shows promise for a quantum Internet. Crystal could be used to connect distant quantum networks,” Nature News, 24 Apr 2103.

Entrelazar cubits de estado sólido en distancias grandes es muy difícil pues se requiere un protocolo con una partícula que actúa como mediadora que recorra dicha distancia. Entrelazar dos cubits implementados con diamante en una distancia de 3 metros parece poco, pues esta distancia es muy pequeña comparada con los casi 200 km que se logran con cubits implementados con fotones, pero trabajar con cubits implementados con diamante es mucho más difícil.

Pero antes de discutir más sobre este logro, permíteme recordar qué es el entrelazamiento cuántico, qué son los cubits implementados en celdas de diamante y por qué son tan interesantes.

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Un nuevo enigma sobre la región D” entre el manto y el núcleo terrestre

El centro de la Tierra es una de las regiones más desconocidas para la ciencia, que sólo podemos explorar gracias a experimentos de laboratorio y estudios sismográficos. A unos 2900 km. de profundidad, la frontera entre el manto y el núcleo se denomina región D” (D doble prima) donde se cree que se generan las plumas de magma en el manto. En esta región se produce un gran cambio térmico, el núcleo está 1000 K más caliente que el manto, junto a un gran cambio en densidad y composición química. Catalli et al. del MIT presentan en Nature un estudio en laboratorio del comportamiento de la materia a las temperaturas y presiones en la región D” demostrando que podría tener entre 400 y 600 km. de grosor, aunque los estudios sismográficos sólo han detectado un grosor de 30 km. Un nuevo enigma sobre esta región. Para los autores, las medidas sismográficas pueden ser más imprecisas de lo que se creía. Se cree que en la región D” el material se encuentra en un estado de transición entre la perovskita MgSiO3, el mineral más abundante en la Tierra, y cierta forma de post-perovskita. Los autores han estudiado esta transición utilizando presiones de 1 Mbar (un millón de veces la presión atmosférica) y temperaturas de 2000 K. A estas temperaturas el uso de celdas de presión con diamante presenta grandes dificultades que los autores han superado con gran alarde técnico. Serán necesarios estudios computacionales que incorporen los resultados del nuevo estudio (la pendiente de Clapeyron obtenida experimentalmente) con objeto de poder entender por qué los estudios sismográficos indican que la región D” es mucho más grueso de lo que se creía. Así avanza la ciencia, a base de misterios y enigmas por resolver. Nos lo cuenta Kanani K. M. Lee, “Earth science: The enigma of D′′,” News and Views, Nature 462: 731-732, 10 December 2009, quien se hace eco del artículo técnico Krystle Catalli, Sang-Heon Shim, Vitali Prakapenka, “Thickness and Clapeyron slope of the post-perovskite boundary,” Nature 462: 782-785, 10 December 2009.