La mecánica cuántica controla la realidad en los niveles más pequeños pero cuando se la escala, suele ser difícil saber cómo y por qué importa tanto en el mundo práctico. En ocasiones, hay físicos que descubren un uso extrañamente práctico para algunos fenómenos cuánticos y cuando eso sucede, la que más suele beneficiarse es la tecnología. Es lo que pasó con un nuevo hallazgo en referencia a la superradiancia, aspecto de la mecánica cuántica que tradicionalmente causó más dolores de cabeza que soluciones.
La superradiancia es un fenómeno en que un grupo de partículas cuánticas colabora para producir señales significativamente más potentes. Para algunos físicos sigue siendo una molestia importante porque el fenómeno puede desestabilizar rápidamente los sistemas cuánticos y así, la operación de tecnologías cuánticas clave.
Pero unos investigadores de Austria y Japón ingeniaron un novedoso método para aprovechar la superradiancia con el fin de producir señales de microondas potentes y perdurables. El equipo informó sus resultados en Nature Physics. Señalan que el descubrimiento prepara el camino para avances tecnológicos en medicina, navegación y comunicación cuántica, según declaraciones.
“Este descubrimiento cambia la forma en que pensamos sobre el mundo cuántico”, dijo Kae Nemoto, coautor del trabajo y físico del Instituto Okinawa de Ciencia y Tecnología (OIST) de Japón. “Es un cambio que abre rumbos completamente nuevos en las tecnologías cuánticas”.
Un trabajo en equipo
El físico Robert Dicke propuso la idea de la superradiancia en 1954, y desde enetonces los físicos han identificado e incluso usado la superradiancia para varios sistemas, como semiconoductores, lasers de rayos X experimentales, o para explicar el caos cercano a los estallidos rápidos de radio y los agujeros negros.
La superradiancia ocurre cuando un grupo de átomos excitados se combina tras interactuar con una fuente de luz. Eso produce un breve pero intenso estallido de luz que emite más energía del sistema que si hubiera una única partícula rebotando.
Orden a partir del caos
Para el experimento, los investigadores atraparon pequeños defectos atómicos dentro de una cavidad de microondas. Las cavidades contenían diminutas cámaras con espines de electrones, que servían como “imanes en miniatura” para representar diferentes estados cuánticos. Luego, observaron cómo cambiaba el sistema con el tiempo, aplicando los datos a extensas simulaciones por computadora para describir mejor la física en funcionamiento.
Los investigadores notaron un extraño “tren de pulsos de microondas, angostos y perdurables” después de un estallido superradiante, y lo investigaron más en sus simulaciones. Les sorprendió encontrar que “las interacciones que parecían caóticas entre los espines, en realidad alimentan la emisión”, dijo en el comunicado Wenzel Kersten, principal autor del estudio y físico de la Universidad de Tecnología de Viena, Austria.
“El sistema se organiza a sí mismo produciendo una señal de microondas extremadamente coherente a partir del mismo desorden que usualmente lo destruye”, aclaró.
Se revierten los conceptos
Como la superradiancia libera tanta energía, la ciencia ha sospechado desde siempre – y en parte lo confirmó en experimentos – que crea obstáculos técnicos para la tecnología cuántica.
Pero el nuevo estudio reemplaza esa idea y sugiere más bien que usando el método adecuado la próxima generación de tecnologías cuánticas podría aprovechar “las mismas interacciones que se creía disrumpían la conducta cuántica”, según Nemoto.
Por ejemplo, esa señal de microondas, potente y auto-sostenida, podría ayudar a que funcionaran los relojes ultra precisos, los vínculos de comunicación y los sistemas de navegación. Las señales son altamente sensibles a los mínimos cambios en los campos magnéticos y eléctricos, característica con potenciales aplicaciones en muchos dispositivos diferentes.
