Microsquid susceptometry of molecular qubits

Abstract

Esta tesis doctoral se centra en el estudio de dos mundos. Los imanes moleculares, por una parte, son moléculas formadas por átomos magnéticos fuertemente enlazados que se comportan como espines gigantes. Son candidatos muy interesantes para diferentes aplicaciones como la refrigeración magnética o la grabación de alta densidad. El comportamiento de estas partículas a bajas temperaturas esta regido, por regla general, por las leyes de la física cuántica. Los imanes moleculares son, por lo tanto, sistemas ideales para el estudio de fenómenos cuánticos tales como el efecto túnel de espin o la coherencia cuántica. Además de las ya mencionadas, una de sus potenciales aplicaciones más fascinantes es su integración como hardware de ordenadores cuánticos. Los procesadores convencionales realizan operaciones aritméticas manipulando el estado de bits mediante puertas lógicas. Un procesador cuántico explotaría además las propiedades cuánticas de los qubits como son el entrelazamiento y la superposición de estados, permitiendo realizar operaciones a velocidades inaccesibles para cualquier ordenador clásico. Las nanopartículas magnéticas representan la otra cara de la moneda. Cada partícula consta típicamente del orden de 100-10000 átomos magnéticos. Como consecuencia, su comportamiento debería ser más cercano al de un sistema clásico incluso a muy bajas temperaturas. Sorprendentemente, las nanopartículas magnéticas sufren también las consecuencias de la mecánica cuántica. En 1992, D. Awschalom y colaboradores afirmaron haber observado coherencia cuántica en ferritina natural, una proteína biológica que contiene unos 1000 átomos de hierro formando un nanomineral antiferromagnético parecido a la ferrhidrita. De esta manera, las nanopartículas magnéticas constituyen un buen modelo para el estudio de la transición, si existe, entre el mundo macroscópico o clásico y el mundo microscópico o cuántico. El estudio de estos fenómenos requiere el uso de técnicas experimentales no convencionales. En primer lugar, los experimentos deben realizarse a muy bajas temperaturas, es decir, en la región de los mK. Con esto se consigue reducir la influencia de las fluctuaciones térmicas que destruyen totalmente la probabilidad de observar un fenómeno cuántico. En segundo lugar, los procesos dinámicos que llevan a la relajación o equilibrio de un sistema de imanes moleculares o nanopartículas magnéticas pueden cambiar varios ordenes de magnitud al variar su temperatura. Por este motivo, la caracterización de procesos que ocurran en escalas de tiempo desde micro o nanosegundos, hasta varios minutos u horas resulta fundamental. Por último, se requiere el uso de instrumentos ultrasensibles capaces de detectar la señal producida por pequeñas cantidades de partículas. Asimismo, éstas deben ser acopladas al sensor correspondiente de una forma óptima garantizando además que sus propiedades queden intactas. Estos motivos, y muchos otros, han impulsado el interés hacia técnicas de caracterización magnética mas sensibles y versátiles que los convencionales magnetómetros SQUID (siglas del inglés Superconducting Quantum Interference Device). Entre ellas, el uso de susceptómetros microSQUID aparece como una de las posibilidades más interesantes. Estos sensores pueden ser instalados en refrigeradores de dilución, que permiten realizar experimentos a temperaturas de unas pocas milésimas de Kelvin. Los magnetómetros microSQUID no presentan además ninguna limitación teórica en frecuencia hasta el rango de GHz, siendo la única restricción la impuesta por la electrónica que se encuentra a temperatura ambiente.

Esto permite realizar medidas con campos magnéticos continuos o alternos, posibilitando por tanto el estudio de procesos dinámicos en un amplísimo rango. Por último, los dispositivos microSQUID constituyen la sonda magnética más sensible en física del estado sólido. Estas características hacen de los microSQUID una de las herramientas más atractivas para la caracterización de sistemas de nanoimanes moleculares, ya sea para su aplicación como qubits, o simplemente con el objetivo de mejorar nuestra comprensión de las leyes de la mecánica cuántica y su influencia en el mundo macroscópico.