Dos nanotubs, un estat entrellaçat: una nova plataforma per simular la física electró-fonó
Investigadors de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) han proposat una estratègia per entrellaçar la configuració electrònica de dos nanotubs de carboni.
La plataforma, descrita en un estudi publicat recentment a SciPost Physics, podria servir per simular interaccions electró-fonó fortament correlacionades, com les que hi ha darrere de la superconductivitat no convencional.
Per què sorgeixen fases quàntiques exòtiques en els superconductors no convencionals? I per què els electrons es comporten d’una manera tan peculiar en el grafè bicapa girat? La comunitat científica creu que les interaccions entre electrons i fonons (vibracions quantitzades de la xarxa atòmica del material) juguen un paper clau en aquests processos.
Però com es desenvolupen aquestes interaccions en un sistema d’electrons fortament correlacionats? Quin és el seu origen? I com afecten exactament a les propietats fonòniques i electròniques del material? Per respondre a aquestes preguntes caldria tenir en compte un nombre enorme de partícules que interactuen de manera complexa les unes amb les altres, cadascuna de les quals té un gran nombre d’estats quàntics possibles, un nombre que creix exponencialment amb el de partícules. Simular aquest sistema en un ordinador clàssic és senzillament inviable.
Hi ha, però, una alternativa: substituir el software clàssic per hardware quàntic. La idea consisteix a fer servir un sistema quàntic ben conegut per reproduir la física dels superconductors no convencionals o del grafè bicapa girat. Aquest sistema ha de presentar el mateix tipus d’interaccions electró-fonó, però de manera controlable al laboratori. És el que es coneix com a simulador quàntic, i el repte és trobar la plataforma adequada per implementar-lo.
El doctorand David Ullrich i la professora ICREA Anna Sanpera, investigadors de la UAB, juntament amb la Dra. Marta Cagetti, el Dr. Stefan Forstner i el Prof. Adrian Bachtold, investigadors de l’ICFO, han proposat ara de manera teòrica una plataforma de simulació quàntica per a la física electró-fonó. En un estudi publicat a SciPost Physics, l’equip prediu que aquest sistema presenta una fase entrellaçada, l’anomenada fase de Bell, que no apareix quan hi ha un sol nanotub.
En concret, la plataforma consisteix a suspendre dos nanotubs de carboni i controlar-ne els estats electrònics mitjançant elèctrodes de porta. En aplicar voltatges amb aquests elèctrodes, apareix una sèrie de pous de potencial al llarg dels nanotubs. Aquests pous allotgen estats quàntics d’electrons: són els anomenats punts quàntics. Cada nanotub té quatre punts i quatre electrons per ocupar-los. A més, com que estan suspesos, els nanotubs poden vibrar de manera que, a temperatures extremadament baixes, les vibracions revelin la seva naturalesa quàntica: són els anomenats fonons.
Els electrons es poden distribuir entre els punts de diverses maneres, aparellant-se o repartint-se entre ells. El descobriment clau de l’estudi és que les configuracions electròniques dels dos nanotubs acaben entrellaçades per la interacció entre els estats electrònics i els fonònics. Es tracta d’un estat de Bell genuïnament quàntic i amb entrellaçament màxim que aquí sorgeix de manera natural com a estat fonamental del sistema, és a dir, l’estat de menor energia possible.
Els investigadors reconeixen que portar aquesta plataforma a la pràctica no serà senzill, sobretot perquè els dos tubs han d’estar més a prop l’un de l’altre que els punts quàntics contigus d’un mateix tub. “Mai no s’han col·locat dos nanotubs de carboni tan junts”, explica la Dra. Marta Cagetti, investigadora de l’ICFO i coautora de l’article. “Però som optimistes, perquè aviat arribarà un nou equip a l’ICFO que ens permetrà moure els nanotubs amb la precisió necessària, de l’ordre de desenes de nanòmetres”.
En el futur, l’equip vol estudiar què passa en afegir més punts quàntics al muntatge o en acoblar el sistema al seu entorn. També vol esbrinar si els estats fonònics dels dos tubs es podrien entrellaçar. Un cop feta realitat, la plataforma podria convertir-se en una eina valuosa per a la simulació quàntica, principalment degut a la seva gran capacitat per ajustar-se, que permetrà modificar diversos paràmetres durant la fabricació o in situ, en mig de l’experiment.
Referència:
David Ullrich, Marta Cagetti, Stefan Forstner, Adrian Bachtold, Anna Sanpera, Emergent Bell phase in an electro-nanomechanical quantum simulator, SciPost Phys. 21, 043 (2026).
DOI: 10.21468/SciPostPhys.21.2.043
Agraïments:
DU and AS acknowledge financial support from MICINN grant PID2022-139099NB-I00, with the support of FEDER funds, the Spanish Government with funding from European Union NextGenerationEU (PRTR-C17.I1), the Generalitat de Catalunya, the Ministry for Digital Transformation and of Civil Service of the Spanish Government through the QUANTUM ENIA project – Quantum Spain – through the Recovery, Transformation and Resilience Plan NextGenerationEU within the framework of the Digital Spain 2026 Agenda. MC, SF, and AB acknowledge support from ERC Advanced Grant 101198268-QTube, Marie Sklodowska-Curie grant agreements Nos. 847517 and 101105814, MICINN Grants Nos. RTI2018-097953-B-I00 and PID2021-122813OB-I00, the QuantERA grant (PCI2022-132951), the Fondo Europeo de Desarrollo, the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness through Quantum CCAA, TED2021-129654B-I00, EUR2022-134050, and CEX2019-000910-S [MCIN/AEI/10.13039/501100011033], MCIN, with funding from European Union’s NextGenerationEU (PRTR-C17.I1), Fundació Cellex, Fundació Mir-Puig, Generalitat de Catalunya through CERCA, and 2021 SGR 01441.