Investigadores israelíes estudian entrelazamiento y superconductividad en sistemas bidimensionales como grafeno, con aplicaciones en tecnologías cuánticas.
Contribuciones israelíes a la física cuántica en nanomateriales
Físicos israelíes han logrado avances significativos en el estudio de fenómenos cuánticos en sistemas de baja dimensionalidad, particularmente en materiales bidimensionales como el grafeno. En el Instituto Weizmann de Ciencias y la Universidad Hebrea de Jerusalén, equipos de investigación han combinado enfoques teóricos y experimentales para analizar efectos cuánticos como el entrelazamiento y la superconductividad en estructuras nanométricas. Estos trabajos se centran en cómo las propiedades cuánticas emergen en sistemas con dimensiones reducidas, donde las interacciones electrónicas son más pronunciadas debido al confinamiento espacial.
Un estudio reciente del Instituto Weizmann, publicado en Nature Physics, examinó el comportamiento de electrones en grafeno bicapa retorcido a un ángulo específico, conocido como “ángulo mágico”. Los investigadores, liderados por Shahal Ilani, utilizaron microscopía de túnel de barrido para observar cómo las interacciones electrónicas generan estados entrelazados y propiedades superconductoras a temperaturas superiores a las de superconductores tradicionales. “Nuestros experimentos muestran que el grafeno puede actuar como una plataforma para estudiar fenómenos cuánticos exóticos”, afirmó Ilani en el artículo.
En la Universidad Hebrea, el equipo de Hadronic Bechstedt ha desarrollado modelos teóricos para predecir cómo el entrelazamiento cuántico en sistemas bidimensionales puede estabilizarse frente a perturbaciones externas, como campos magnéticos o fluctuaciones térmicas. Estos modelos sugieren que las estructuras nanométricas pueden mantener estados cuánticos coherentes durante tiempos más prolongados, lo que resulta crucial para aplicaciones en computación cuántica y criptografía.
El grafeno, un material compuesto por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal, ha emergido como un candidato ideal para estos estudios debido a su alta conductividad y flexibilidad estructural. Los físicos israelíes han explorado cómo modificaciones en la geometría del grafeno, como la torsión o la aplicación de campos eléctricos, inducen fenómenos cuánticos únicos, incluyendo la formación de estados topológicos que podrían servir como base para qubits más estables en computadoras cuánticas.
Datos clave sobre fenómenos cuánticos en sistemas bidimensionales
- Grafeno bicapa retorcido: Un giro de 1.1 grados, conocido como “ángulo mágico”, induce superconductividad y estados entrelazados.
- Entrelazamiento cuántico: Permite correlaciones instantáneas entre partículas, clave para computación y comunicación cuántica.
- Superconductividad: En grafeno, ocurre a temperaturas más altas que en superconductores tradicionales, hasta 1.7 K.
- Aplicaciones: Los estudios podrían mejorar qubits, sensores cuánticos y sistemas de cifrado de alta seguridad.
- Instituciones líderes: Instituto Weizmann y Universidad Hebrea son centros clave en investigación cuántica en Israel.
Experimentos y avances en superconductividad
Los experimentos realizados en el Instituto Weizmann han demostrado que el grafeno bicapa retorcido puede exhibir superconductividad cuando los electrones alcanzan una densidad crítica. Este fenómeno, descubierto inicialmente en 2018 por investigadores del MIT, ha sido ampliado por los físicos israelíes, quienes han identificado condiciones específicas bajo las cuales el grafeno mantiene esta propiedad sin requerir temperaturas extremadamente bajas. Los resultados, publicados en Science, indican que las interacciones electrónicas en el grafeno generan un estado de baja resistencia eléctrica, lo que podría reducir los costos de enfriamiento en aplicaciones tecnológicas.
Por su parte, los investigadores de la Universidad de Tel Aviv han explorado cómo las impurezas controladas en el grafeno pueden modular sus propiedades cuánticas. En un estudio de 2023, el equipo de Moshe Ben Shalom demostró que la introducción de defectos específicos en la red cristalina del grafeno puede inducir estados magnéticos que interactúan con la superconductividad, creando sistemas híbridos con potencial para aplicaciones en espintrónica. “Controlar estos defectos nos permite ajustar las propiedades cuánticas con precisión”, señaló Ben Shalom.
Estos avances se complementan con investigaciones en otros materiales bidimensionales, como los dicalcogenuros de metales de transición (TMD). Científicos israelíes han colaborado con instituciones internacionales para estudiar cómo estos materiales, al igual que el grafeno, exhiben fenómenos cuánticos bajo condiciones de torsión o dopaje. Los resultados sugieren que los TMD podrían complementar al grafeno en aplicaciones donde se requieran propiedades electrónicas específicas.
Las investigaciones también abordan las limitaciones de los sistemas bidimensionales. La sensibilidad de los estados cuánticos a las perturbaciones externas sigue siendo un desafío. Los físicos israelíes han propuesto métodos para mitigar estos efectos, como el uso de sustratos dieléctricos avanzados que reducen el ruido ambiental, mejorando la estabilidad de los estados entrelazados y superconductoras.
Impacto en tecnologías cuánticas emergentes
Los hallazgos de los físicos israelíes tienen implicaciones directas en el desarrollo de tecnologías cuánticas. La capacidad de generar y controlar estados entrelazados en materiales como el grafeno podría acelerar la creación de computadoras cuánticas más robustas. Actualmente, los qubits basados en circuitos superconductores requieren sistemas de enfriamiento complejos, pero los avances en grafeno sugieren la posibilidad de operar a temperaturas más altas, reduciendo costos y aumentando la escalabilidad.
En el campo de la criptografía cuántica, el entrelazamiento en sistemas bidimensionales podría habilitar protocolos de comunicación más seguros. Los investigadores de la Universidad Bar-Ilan han propuesto esquemas basados en grafeno para generar claves cuánticas distribuidas, aprovechando las correlaciones instantáneas entre partículas entrelazadas. Estos esquemas podrían fortalecer la seguridad de datos en sectores como la defensa y las finanzas.
Además, los estudios sobre superconductividad en grafeno abren la puerta a mejoras en sensores cuánticos. Dispositivos basados en materiales bidimensionales podrían detectar señales electromagnéticas con una precisión sin precedentes, con aplicaciones en medicina, exploración espacial y monitoreo ambiental. Los equipos israelíes están colaborando con la industria tecnológica para traducir estos descubrimientos en prototipos funcionales.
El contexto global de estas investigaciones subraya la posición de Israel como un centro de excelencia en física cuántica. Las instituciones del país han atraído financiamiento internacional y han establecido colaboraciones con universidades como el MIT, Harvard y el Instituto Max Planck. Estas alianzas han permitido el acceso a tecnologías de vanguardia, como microscopios de alta resolución y sistemas de fabricación de nanomateriales, fortaleciendo la capacidad de los físicos israelíes para liderar en este campo.
Marco histórico y colaboraciones internacionales
El interés en los sistemas de baja dimensionalidad comenzó a principios del siglo XXI, tras el descubrimiento del grafeno en 2004 por Andre Geim y Konstantin Novoselov, galardonados con el Premio Nobel de Física en 2010. Desde entonces, los físicos israelíes han contribuido al campo con estudios pioneros sobre las propiedades electrónicas de este material. En 2012, un equipo del Instituto Weizmann demostró por primera vez cómo el grafeno puede exhibir efectos cuánticos macroscópicos, sentando las bases para investigaciones posteriores.
La colaboración internacional ha sido un pilar de estos avances. Los físicos israelíes han trabajado con investigadores de Estados Unidos, Europa y Asia para desarrollar nuevas técnicas experimentales y modelos teóricos. Por ejemplo, un proyecto conjunto entre el Instituto Weizmann y el MIT en 2020 exploró cómo las superredes de Moiré en grafeno bicapa pueden inducir estados topológicos, un descubrimiento que ha ampliado el entendimiento de las interacciones electrónicas.
Las investigaciones también se benefician del apoyo gubernamental y privado en Israel. El Ministerio de Ciencia y Tecnología ha priorizado la financiación de proyectos en tecnologías cuánticas, reconociendo su potencial para impulsar la economía. Empresas como Quantum Machines, con sede en Tel Aviv, están integrando los hallazgos de los físicos israelíes en el diseño de hardware cuántico, fortaleciendo la conexión entre la investigación básica y la innovación tecnológica.
El panorama global de la física cuántica destaca la importancia de los sistemas de baja dimensionalidad en la próxima generación de tecnologías. Los avances de los físicos israelíes en el estudio del grafeno y otros materiales bidimensionales posicionan al país como un actor clave en este campo, con contribuciones que podrían transformar sectores como la informática, la seguridad y la detección de señales.