Átomos magnéticos se comunican a distancias récord

Imagina dos imanes diminutos, cada uno generado por un solo átomo, capaces de interactuar a distancias enormes para esta escala. Conseguir que estas interacciones sean intensas, de largo alcance y controlables es uno de los retos para desarrollar nuevas plataformas de computación y simulación cuánticas. Hasta ahora, ningún sistema había logrado combinar plenamente estas propiedades.

Un equipo internacional liderado por investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ha encontrado una posible solución en el grafeno, un material compuesto por una sola capa de átomos de carbono.

Cuando un átomo de hidrógeno se adhiere a su superficie, genera un momento magnético —técnicamente, un espín 1/2— que se extiende por varios átomos de carbono próximos. El estudio, publicado en Nature Communications, muestra que esta influencia magnética puede propagarse varios nanómetros a través del material, lo que convierte al grafeno en una plataforma especialmente prometedora para diseñar sistemas cuánticos átomo a átomo.

Interacciones magnéticas a distancias sin precedentes

Mediante un microscopio de efecto túnel (STM, por sus siglas en inglés), el equipo depositó y desplazó átomos de hidrógeno sobre el grafeno de manera individual y con precisión atómica, como piezas sobre un tablero.

A continuación, los investigadores analizaron sus interacciones mediante espectroscopía de efecto túnel inelástico (IETS), una técnica que permite detectar las excitaciones magnéticas producidas por el acoplamiento entre los átomos.

Los resultados muestran que dos momentos magnéticos inducidos por átomos de hidrógeno continúan interactuando incluso cuando están separados por más de diez nanómetros. Esta distancia multiplica por diez la alcanzada hasta ahora en sistemas de átomos magnéticos depositados sobre superficies.

Además, la energía de la interacción es de varios milielectronvoltios, un valor excepcional para separaciones tan grandes y considerablemente superior al previsto en otras plataformas propuestas para aplicaciones cuánticas.

“Lo que más me sorprendió fue comprobar que dos átomos de hidrógeno separados por más de diez nanómetros —una distancia enorme a esta escala— pueden comunicarse magnéticamente con una energía muy superior al ruido térmico. Esto demuestra que el grafeno permite transmitir la interacción mucho más lejos de lo esperado”, explica Beatriz Viña-Bausá, estudiante de doctorado y primera autora del artículo.

Tres formas de controlar la interacción magnética

Otra de las ventajas del sistema es que permite decidir cómo se alinean los momentos magnéticos. Estos pueden adoptar una configuración paralela o ferromagnética, en la que apuntan en la misma dirección, o antiparalela o antiferromagnética, con orientaciones opuestas.

El tipo de acoplamiento depende de la posición que ocupan los átomos de hidrógeno en las dos subredes que forman la estructura cristalina del grafeno. Los investigadores pueden controlar también la intensidad de la interacción modificando la distancia entre los átomos y su orientación dentro del cristal.

El sistema ofrece así tres parámetros independientes —distancia, orientación cristalográfica y subred— con los que diseñar las interacciones magnéticas.

“El grafeno nos proporciona tres mandos simultáneos para ajustar la interacción entre espines: la distancia, la orientación cristalográfica y la elección de la subred. Es una caja de herramientas sin precedentes para diseñar prototipos de computación y simulación cuánticas”, señala Iván Brihuega, investigador principal del trabajo.

Para respaldar los resultados experimentales, el equipo realizó simulaciones computacionales a gran escala. Los cálculos reprodujeron las mediciones y permitieron elaborar mapas que muestran cómo se distribuye el magnetismo, átomo a átomo, a través del grafeno.

Tres átomos entrelazados: un sistema cuántico más complejo

Los investigadores fueron un paso más allá y construyeron estructuras formadas por tres átomos de hidrógeno con momentos magnéticos acoplados.

Cuando las interacciones entre ellos presentan intensidades similares, los espines dejan de comportarse como unidades independientes. El conjunto desarrolla entonces una excitación colectiva compartida por los tres átomos.

Según los autores, este comportamiento constituye una evidencia de entrelazamiento cuántico entre los tres espines y demuestra que el ensamblaje átomo a átomo permite estudiar estados magnéticos progresivamente más complejos.

Más allá de los resultados inmediatos, el trabajo presenta el grafeno como una plataforma para construir y analizar sistemas magnéticos cuánticos con precisión atómica.

Los autores plantean que las redes artificiales de átomos de hidrógeno podrían albergar estados magnéticos colectivos estables incluso a temperatura ambiente. En el futuro, su combinación con materiales superconductores podría facilitar la exploración de nuevos estados cuánticos de la materia y el desarrollo de plataformas para simulación y computación cuánticas.

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Referencia bibliográfica:

Viña-Bausá, B., Costa, A.T., Henriques, J. et al. Ultra-long-range spin coupling in graphene revealed by atomically resolved spin excitations. Nat Commun 17, 6586 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72624-0

Más información:  UAM Gazette