Nanotubo de carbono.| Wikipedia.
Los nanotubos de carbono son nanoestructuras compuestas exclusivamente por átomos de carbono que presentan propiedades inusuales, muy valiosas para diseñar nuevos dispositivos electrónicos, ópticos o fabricar nuevos materiales. Ramón Aguado (http://www.icmm.csic.es/raguado) investiga en el Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid (CSIC) las propiedades cuánticas de nanoestructuras tales como estos sorprendentes nanotubos de carbono, utilizando modelos matemáticos.
Ramón Aguado. | (ICMM-CSIC)
Mónica Luna.- ¿Qué es un nanotubo de carbono?
Ramón Aguado.- A partir de un mismo elemento químico es posible tener sistemas muy diferentes dependiendo de cómo se unan los átomos. En el caso del carbono, se pueden formar varios tipos de estructuras con propiedades radicalmente distintas; pensemos en lo poco que se parecen entre sí un trozo de carbón amorfo y un diamante. Pues bien, en los últimos años hemos aprendido que es posible tener una nueva estructura estable, denominada grafeno, en la que los átomos de carbono forman una lámina que tiene un solo átomo de grosor. Un nanotubo es una lámina de grafeno que se enrolla sobre sí misma para formar un tubo. El diámetro de estos tubos es de apenas 1 nanómetro (un millón de veces más pequeño que un milímetro), pero, sin embargo, su longitud puede ser de varios centímetros. Nunca antes se había conseguido fabricar un tubo molecular con una proporción tan alta entre longitud y diámetro.
Nanotubo de carbono.| Wikipedia
M. L.- ¿Por qué han despertando tanto entusiasmo estas nanoestructuras?
R. A.- Lo realmente excepcional de los nanotubos de carbono son sus propiedades mecánicas y eléctricas. Es el material más duro que se conoce, más incluso que el diamante. Un cable de un cm cuadrado de sección de este material soportaría un peso de más de mil toneladas. El equivalente de un cable de acero estaría en torno a las 10 toneladas. Además, por si fuera poco, tienen propiedades electrónicas excepcionales. La resistencia eléctrica es extremadamente baja, debido a que los electrones apenas colisionan en su camino. Esto hace que los nanotubos tengan altísimas movilidades electrónicas y soporten densidades de corriente eléctrica miles de veces más grandes que los mejores cables de cobre.
M. L.- ¿Cómo se pueden aprovechar estas propiedades tan ventajosas?
Nanotubos de carbono crecidos de forma alineada.| Wikipedia.
R. A.- Al ser un conductor eléctrico tan excelente podría ser una solución a uno de los problemas actuales de la industria de la microelectrónica, que es la generación de calor. A medida que se reduce el tamaño de los componentes electrónicos y éstos son más rápidos, se genera más calor por lo que hay que buscar otros materiales para construir estos nuevos transistores cada vez más pequeños.
M. L.- Aparte de la generación del calor, otro problema de la miniaturización es la aparición de efectos cuánticos.
R. A.- Efectivamente, el último transistor que acaba de anunciar INTEL tiene un tamaño de puerta de 22 nanómetros y anuncian tamaños de 10 nanómetros para el 2015. Esto significa que la industria está al límite miniaturizar sus transistores a tamaños cercanos al de un átomo. A estas escalas, los efectos cuánticos aparecen de manera natural. Para explicarlo de manera sencilla, los electrones dejan de comportarse simplemente como cargas eléctricas y se comportan cuánticamente, como ondas que pueden atravesar obstáculos e interferir. Cuando esto ocurre las leyes clásicas que rigen un circuito eléctrico dejan de ser válidas. Mi trabajo consiste en estudiar estos efectos cuánticos y entenderlos, de manera que podamos llegar a utilizar estas nuevas propiedades en nuestro beneficio diseñando nuevos transistores y dispositivos cuánticos, en vez de verlas como un contratiempo. Este campo de investigación se denomina nanoelectrónica cuántica. Uno de sus objetivos más ambiciosos es la creación de bits cuánticos (qubits) que son el equivalente de los ceros y unos de la electrónica actual pero en versión cuántica. Una opción muy prometedora para conseguirlo se basa en utilizar los electrones en un nanotubo o, en general, en nanoestructuras denominadas puntos cuánticos en las que los electrones están confinados.
M. L.- ¿Qué ventajas tendríamos al utilizar estos bits cuánticos?
R. A.- Los qubits permiten realizar operaciones que son imposibles o extremadamente lentas con un ordenador actual como, por ejemplo, factorizar un número muy grande en sus factores primos. Gran parte de los algoritmos de encriptación en las tarjetas de crédito se basan en estas factorizaciones. Esto es sólo un ejemplo, se estudian también memorias cuánticas, puertas lógicas cuánticas, etc.
Nanotubo entre electrodos. L. Kouwenhoven,| Universidad de Delft (Holanda)
M. L.- ¿Nos puede explicar de manera sencilla cómo se consigue un bit cuántico en un nanotubo?
R. A.- Hay varias formas de construir qubits en nanotubos. Una opción es usar el espín de los electrones. El espín es una propiedad física que tienen las partículas relacionada con la rotación de la partícula en torno a sí misma. En el caso de los electrones, este espín puede tener dos valores, que tendrían un papel semejante al 0 y al 1 de los bits actuales.
M. L.- ¿Estamos cerca de conseguir realizar bits cuánticos en un circuito?
R. A.- Me agrada particularmente esta pregunta ya que es importante destacar que esto no es algo abstracto que sólo existe en nuestras ecuaciones. Hay muchos laboratorios en el mundo que ya son capaces de construir y manipular de manera controlada estos qubits. También creo que es importante recalcar que ya hay muchísimas tecnologías que se basan en la física cuántica. Su impacto en nuestras vidas cotidianas es altísimo. Pensemos, por ejemplo, en el láser o en la resonancia magnética nuclear. Volviendo a la pregunta, estamos en un momento en el que hemos pasado de utilizar propiedades cuánticas en sistemas de muchos átomos, como en los dos ejemplos que acabo de mencionar, a ser capaces de manipular a voluntad las propiedades de electrones individuales. Algo, sin lugar a duda, fascinante.
M. L.- ¿Qué utilidad puede tener el poder manipular electrones individualmente?
Electrones girando alrededor de un nanotubo.| R. Aguado.
R. A.- Puedo darle, como ejemplo, los resultados de una reciente investigación que acabamos de publicar. La combinación de las propiedades del espín del electrón con las propiedades generadas al girar ese electrón alrededor del nanotubo resulta en una interacción capaz de producir importantes cambios en dispositivos formados por materiales superconductores. ¡El giro de un solo electrón en le nanotubo es capaz de cambiar el signo de las supercorrientes de billones de electrones en un superconductor!
M. L.- ¿Nos puede avanzar algo de sus investigaciones actuales?
R. A.- Los electrones en el grafeno que forma el tubo se comportan siguiendo las mismas leyes relativistas que rigen en un acelerador de partículas como el del CERN. Esto es algo sorprendente si uno lo piensa detenidamente. Usando este tipo de analogías en sistemas similares formados por nanohilos superconductores se ha predicho teóricamente que se podrían crear partículas iguales a sus antipartículas, estas partículas se denominan fermiones de 
Majorana. Esto ha desencadenado una gran actividad en laboratorios punteros tales como los de Delft (Holanda) o Harvard (Estados Unidos) para detectar estas partículas en nanohilos y ganar así la carrera a los expertos en neutrinos (los neutrinos son probablemente fermiones de Majorana pero todavía nadie lo ha podido probar experimentalmente). Este es, en mi opinión, uno de los aspectos más fascinantes de estos sistemas de los que hemos hablado: no sólo pueden tener aplicaciones prácticas revolucionarias sino que, además, sirven como sistemas ideales en donde se puede estudiar física a nivel muy fundamental.
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