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Físicos consiguen pillar a dos átomos "hablando" entre sí

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Concepción artística del experimento.
Concepción artística del experimento.
Imagen: TU DELFT/SCIXEL

Un equipo de físicos de Alemania y Países Bajos colocó recientemente un grupo de átomos de titanio bajo un microscopio de efecto túnel. Esos átomos estaban interaccionando de forma constante y silenciosa entre sí a través de la dirección de sus espines. De forma casi prodigiosa, los investigadores fueron capaces de concentrarse en un solo par de átomos, y luego conectaron uno de ellos a una corriente eléctrica para cambiar su espín. Luego midieron la reacción de su compañero.

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Cuando dos átomos tienen espines que son interdependientes, se considera que tienen un entrelazamiento cuántico. Este entrelazamiento se traduce en que el comportamiento de un átomo tiene un impacto directo sobre el otro, y la teoría dice que esto debería seguir siendo cierto incluso cuando están separados por grandes distancias. En este caso, los átomos de titanio estaban separados por poco más de un nanómetro (una millonésima de milímetro), lo suficientemente cerca para que las dos partículas interactuasen entre sí, pero lo suficientemente lejos como para que los instrumentos del equipo pudiesen detectar la interacción.

“El hallazgo principal ha sido que hemos podido observar cómo los espines atómicos se comportan con el tiempo como resultado de su interacción mutua”, dijo el coautor Sander Otte, físico cuántico del Instituto Kavli de Nanociencia. Otte explicó por correo electrónico que los científicos anteriormente habían podido medir la fuerza de varios espines atómicos y la influencia de esa fuerza en el nivel de energía del átomo. Pero este experimento les permitió observar esa interacción a lo largo del tiempo.

Una gran esperanza de la física experimental es que algún día los investigadores podrán simular interacciones cuánticas a voluntad, ajustando un sistema cuántico como mejor les parezca y observando cómo se desarrolla la mecánica cuántica. Los investigadores, en efecto, hicieron eso, desencadenando una acción específica en un átomo y observando cómo reaccionaba el átomo que estaba a su lado.

“Esta es una demostración genial de un ‘simulador cuántico’ muy simple”, dijo Ella Lachman, física cuántica de la Universidad de Berkeley que no participó en el nuevo estudio. “Al controlar las posiciones de los átomos, teóricamente podemos construir una réplica de una red o de cualquier sistema del que queramos estudiar la dinámica”.

El equipo eligió trabajar con átomos de titanio porque tienen la menor cantidad de opciones posibles para su espín: o hacia arriba o hacia abajo. Los átomos de titanio fueron unidos a una superficie de óxido de magnesio, manteniéndolos en su lugar para su inspección. Atrapados sobre esa superficie, se mantenían casi en vacío a solo 1 grado Kelvin (-457.87 Fahrenheit), y los físicos podrían seleccionar individualmente los átomos bajo la punta del microscopio (aquí tienes un vídeo del proceso) . Después, poddían revertir los espines del átomo golpeando un átomo en pareja con un pulso eléctrico, lo que provocaba una reacción inmediata en su vecino. Estas reacciones son predecibles, dijo Otte, a través de las leyes de la mecánica cuántica. (Si alguien dice “toc toc”, puedes estar seguro de que la siguiente partícula responderá “¿Quién está ahí?”) El proceso completo tomó alrededor de 15 nanosegundos, o 15.000 millonésimas de segundo. Su investigación se publicó ayer en Science.

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Hay otras formas de leer el mundo cuántico. Los científicos pueden conjurar interacciones entre átomos alterando el espín de uno, pero esa intercomunicación ocurre tan rápido que los medios habituales de observación, como la técnica de resonancia de espín, no son capaces de captarla. Los investigadores cuánticos a menudo usan pulsos de microondas para hacer que los átomos cambien de estado u observar así la mecánica cuántica, pero este enfoque, mediante un pulso eléctrico, le dio al equipo la capacidad de sentir las interacciones más diminutas; como si fuésemos capaces de leer el mensaje directo de un átomo a otro átomo.

Métodos como la técnica de resonancia de espín son “simplemente demasiado lentos”, dijo Lukas Veldman, físico cuántico del Instituto Kavli de Nanociencia de la Universidad Tecnológica de Delft. “Apenas has comenzado a cambiar un espín antes de que el otro comience a rotar. De esta manera, nunca podrá investigar qué sucede al colocar los dos espines en direcciones opuestas”.

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El microscopio utilizado por el equipo de investigadores.
El microscopio utilizado por el equipo de investigadores.
Imagen: TU Delft / Unisoku

La verdadera magia de esta línea de investigación aún está por llegar, dijo Otte. Aunque con esta detección pudieron mapear el rebote de espines entre dos átomos, la situación se vuelve mucho más compleja con cada átomo que añadimos a la ecuación. Imagínatelo como “el teléfono escacharrado”. Los participantes pueden transmitir el mensaje y susurrárselo a los demás de la misma forma en que les llegó. Pero los mensajes provenientes de diferentes direcciones comenzarían a cruzarse, distorsionando los comunicados.

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“Como siempre, los modelos de juguete están bien, pero una vez que les añadimos la complejidad que realmente nos interesa, las preguntas sobre las medidas y las interpretaciones de ellos se vuelven más complicadas”, dijo Lachman. “¿Pueden hacer el mismo experimento con tres átomos mientras solo miden uno? Probablemente sí, pero la interpretación de la medición se vuelve más compleja. ¿Qué tal con diez átomos? ¿Veinte? El tiempo y el ingenio dirán si esta es una demostración experimental genial de un modelo de juguete o algo mucho más profundo. El potencial está ahí.”

Otte también hizo énfasis en los alucinantes desafíos de ir más allá de un simple sistema de dos átomos. “Si aumentamos a 20 espines, mi ordenador portátil ya no podría calcular lo que sucede. A los 50 espines, las mejores supercomputadoras del mundo ya no podrían seguir, y así sucesivamente ”, dijo Otte. “Si alguna vez queremos comprender con precisión cómo se produce el comportamiento complejo de ciertos materiales (un ejemplo excelente es la superconductividad), tendríamos que ‘construir’ materiales desde cero y ver cómo se desarrollan las leyes de la física al aumentar de 10 a 100 a 1.000 átomos”. La superconductividad se refiere a materiales que pueden transmitir electricidad con resistencia cero, algo que solo es posible por ahora a temperaturas muy frías. Es por eso que el desarrollo de un superconductor a temperatura ambiente es como el Santo Grial de la física. Cambiaría completamente el mundo.

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Pero es en estos números más grandes cuando comenzamos a hacernos una idea de cuál será el premio final. En lugar de escuchar la conexión entre dos átomos, los investigadores podrían acabar escuchando el murmullo de las conversaciones cuánticas mientras muchos átomos se van moviendo de un lado para otro. Necesitaremos mejores ordenadores para tales tareas, claro, pero incluso las interacciones más pequeñas tienen su importancia, porque serán las que nos permitan entender una conversación más grande.