Fernando Delgado y Joaquín Fernández-Rossier, investigadores del International Iberian Nanotechnology Laboratory
Nuestros discos duros almacenan información digital, asignando el "0" y el "1" a las dos orientaciones estables de la magnetización de una partícula magnética en una película delgada. Para aumentar la densidad de información es necesario disminuir el tamaño de dichas partículas, que en la actualidad constan de aproximadamente un millón de átomos, es decir, unos pocos nanómetros. Esto motiva el estudio del magnetismo a escala nanométrica, o nanomagnetismo, y su límite último: el estudio de un único átomo magnético.
Al disminuir su tamaño, la estabilidad de las configuraciones estables se ve comprometida, debido a que la escala de energía que impide las fluctuaciones térmicas, conocida como anisotropía magnética, es proporcional al volumen del sistema. En el laboratorio es posible evitar este problema, bajando la temperatura, lo que permite estudiar el magnetismo a escala atómica, haciendo uso del microscopio de efecto túnel. Así, a la temperatura de 1 Kelvin, se puede almacenar información clásica en la orientación del momento magnético (o espín) de un único átomo. Es en este límite cuando surge la pregunta, que intentamos responder en nuestro trabajo recientemente publicado en la revista internacional Physical Review Letters (http://prl.aps.org/abstract/PRL/v108/i19/e196602): ¿qué límites impone la mecánica cuántica al almacenamiento de información clásica en el espín de un átomo?
En nuestro trabajo estudiamos dos problemas intrínsecamente ligados al hecho de que, a la escala atómica, el magnetismo se rige por las leyes de la mecánica cuántica. En ese límite el espín está cuantizado y puede tomar valores enteros o semi-enteros, cuyas propiedades son totalmente diferentes. En el caso de los espines enteros la imagen clásica por la cual hay dos configuraciones estables de espín, o en lenguaje cuántico, un estado fundamental degenerado, desaparece. Así, para espines enteros la función de onda del estado fundamental es una combinación lineal de "0" y "1". En nuestro artículo mostramos que esto imposibilita la lectura y grabación de información clásica en átomos magnéticos con espines enteros.
En el caso de espines semi-enteros, sí hay dos estados estables pero la mecánica cuántica plantea un segundo problema, ausente en nuestro mundo clásico: el acto de lectura siempre modifica el estado del sistema. En nuestro trabajo discutimos las condiciones de voltaje y temperatura que hacen posible una medida magneto-resistiva de la orientación del espín sin perturbar su estado cuántico, llevando a cabo una medida cuántica no destructiva (quantum non-demolition measurement).
Aunque los bits magnéticos basados en un único átomo están muy lejos de convertirse en tecnología de consumo masivo, los problemas abordados en nuestro trabajo nos ayudarán a entender los fascinantes experimentos de un grupo de investigadores de IBM en Almaden (USA), liderado por el profesor Andreas Heinrich, en los que fabrican cadenas de unos pocos átomos de hierro, con espín entero, en los que se observa la desaparición del momento magnético cuando las cadenas son suficientemente pequeñas (4 átomos) como para que se comporten cuánticamente.
