Dos nanotubos, un estado entrelazado: una nueva plataforma para simular la física electrón-fonón
nvestigadores de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) y del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) han propuesto una estrategia para entrelazar la configuración electrónica de dos nanotubos de carbono.
La plataforma, descrita en un estudio publicado recientemente en SciPost Physics, podría servir para simular interacciones electrón-fonón fuertemente correlacionadas, como las que están detrás de la superconductividad no convencional.
¿Por qué surgen fases cuánticas exóticas en los superconductores no convencionales? ¿Y por qué los electrones se comportan de forma tan peculiar en el grafeno bicapa rotado? La comunidad científica cree que las interacciones entre electrones y fonones (vibraciones cuantizadas de la red atómica del material) juegan un papel clave en estos procesos.
Pero ¿cómo se desarrollan estas interacciones en un sistema de electrones fuertemente correlacionados? ¿Cuál es su origen? ¿Y cómo afectan exactamente a las propiedades fonónicas y electrónicas del material? Para responder a estas preguntas habría que tener en cuenta un número enorme de partículas que interactúan de forma compleja con las demás, cada una con un gran número estados cuánticos posibles, un número que crece exponencialmente con el de partículas. Simular este sistema en un ordenador clásico es simplemente inviable.
Sin embargo, existe una alternativa: sustituir el software clásico por hardware cuántico. La idea consiste en usar un sistema cuántico bien conocido para reproducir la física de los superconductores no convencionales o del grafeno bicapa rotado. Este sistema debe presentar el mismo tipo de interacciones electrón-fonón, pero de forma controlable en el laboratorio. Es lo que se conoce como simulador cuántico, y el reto está en encontrar la plataforma adecuada para implementarlo.
El doctorando David Ullrich y la profesora ICREA Anna Sanpera, investigadores de la UAB, junto con la Dra. Marta Cagetti, el Dr. Stefan Forstner y el Prof. Adrian Bachtold, investigadores del ICFO, han propuesto ahora de forma teórica una plataforma de simulación cuántica para la física electrón-fonón. En un estudio publicado en SciPost Physics, el equipo predice que este sistema presenta una fase entrelazada, la llamada fase de Bell, que no aparece cuando hay un solo nanotubo.
En concreto, la plataforma consiste en suspender dos nanotubos de carbono y controlar sus estados electrónicos mediante electrodos de puerta. Al aplicar voltajes con estos electrodos, aparece una serie de pozos de potencial a lo largo de los nanotubos. Estos pozos albergan estados cuánticos de electrones: son los llamados puntos cuánticos. Cada nanotubo tiene cuatro puntos y cuatro electrones para ocuparlos. Además, al estar suspendidos, los nanotubos pueden vibrar de modo que, a temperaturas extremadamente bajas, las vibraciones revelen su naturaleza cuántica: son los llamados fonones.
Los electrones pueden distribuirse entre los puntos de varias maneras, emparejándose o repartiéndose entre ellos. El hallazgo clave del estudio es que las configuraciones electrónicas de los dos nanotubos acaban entrelazadas por la interacción entre los estados electrónicos y los fonónicos. Se trata de un estado de Bell genuinamente cuántico y con entrelazamiento máximo que aquí surge de forma natural como estado fundamental del sistema, es decir, el estado de menor energía posible.
Los investigadores reconocen que llevar esta plataforma a la práctica no será sencillo, sobre todo porque los dos tubos deben estar más cerca el uno del otro que los puntos cuánticos contiguos de un mismo tubo. “Nunca se han colocado dos nanotubos de carbono tan juntos”, explica la Dra. Marta Cagetti, investigadora del ICFO y coautora del artículo. “Pero somos optimistas, porque pronto llegará un nuevo equipo al ICFO que nos permitirá mover los nanotubos con la precisión necesaria, del orden de decenas de nanómetros”.
En el futuro, el equipo quiere estudiar qué ocurre al añadir más puntos cuánticos al montaje o al acoplar el sistema a su entorno. También quiere averiguar si los estados fonónicos de los dos tubos podrían entrelazarse. Una vez hecha realidad, la plataforma podría convertirse en una herramienta valiosa para la simulación cuántica, principalmente dada su gran capacidad para ajustarse, que permitirá modificar varios parámetros durante la fabricación o in situ, en pleno experimento.
Referencia:
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
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