Separando electrones a demanda

El entrelazamiento cuántico (quantum entanglement, en ingles) es una de las predicciones más sorprendentes de la mecánica cuántica. Según este fenómeno, que no tiene equivalente en la física clásica, cuando un par de partículas se prepara en un estado "enlazado" o "enredado", cualquier medición realizada sobre una de ellas afectará el estado de la otra, no importa cuánto se separen espacialmente. Esta propiedad fue presentada en 1935 por Einstein, Podolsky y Rosen como una "paradoja" que demostraba la incompletitud de la mecánica cuántica.

Aun así, hoy en día se sabe que el entrelazamiento cuántico entre partículas es posible, como ha sido demostrado en numerosos experimentos utilizando fotones (partículas elementales que transportan luz).

La posibilidad de realizar experimentos similares con electrones en sistemas de estado sólido ha atraído la atención de muchos científicos en el área de la materia condensada. Sin embargo, este tipo de experimentos es mucho más difícil ya que, a diferencia de los fotones (que pueden ser creados y manipulados en forma aislada) los electrones en el sólido interactúan fuertemente unos con otros.

Una de las vías que se estudian para superar esta dificultad se basa en la superconductividad. Los electrones en un superconductor se encuentran en un estado enredado formando los llamados "pares de Cooper". La idea de dos experimentos recientemente publicados [1,2], uno de ellos con participación de investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid, es conectar un electrodo superconductor con otros dos electrodos metálicos normales formando una unión tipo "Y" de escala nanométrica. Los electrones que se inyectan en la unión desde el electrodo superconductor lo hacen en parejas que tienen cierta probabilidad de separarse yendo cada electrón a un electrodo diferente.

En el experimento de Herrmann y colaboradores la unión "Y" se implementa utilizando un nanotubo de Carbono con un electrodo superconductor central depositado encima, que es contactado a los lados por dos electrodos normales como se ilustra en la figura. La distancia entre los electrodos normales es de unos 700 nanómetros, siendo el diámetro del nanotubo de unos pocos nanómetros. El paso de corriente a través de cada una de las ramas de la nanoestructura puede a su vez controlarse mediante dos electrodos laterales, también representados en la figura.

Para demostrar que una fracción apreciable de los pares de Cooper que se inyectan en la unión se dividen dando lugar a dos electrones a cada lado, los investigadores han medido la conductancia de cada una de las ramas como función del potencial aplicado en los electrodos laterales y la han comparado con el resultado que se obtiene al eliminar la superconductividad mediante la aplicación de un campo magnético. Las estimaciones teóricas que acompañan el trabajo demuestran que hasta un 50% de los pares de Cooper que se inyectan pueden llegar a dividirse.

Si bien estos trabajos no llegan a demostrar directamente el enredamiento cuántico entre los electrones constituyen un paso importante que abren la posibilidad de realizar experimentos similares a los que se realizan en sistemas de óptica cuántica, ahora en un sistema electrónico.

Es de esperar que estos trabajos generen una renovada e intensa actividad, tanto experimental como teórica en este campo.