Una ilustración esquemática de la detección de nubes Kondo - JEONGMIN SHIM
MADRID, 11 Mar. (EUROPA PRESS) -
Por primera vez tras ser teorizado en 1961, ingenieros de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) han logrado controlar el núcleo de un solo átomo usando solo campos eléctricos.
Un accidente en el laboratorio ha permitido este descubrimiento revolucionario que no solo ha resuelto un problema que se mantenido durante más de medio siglo, sino que tiene importantes implicaciones para el desarrollo de computadoras y sensores cuánticos.
"Este descubrimiento significa que ahora tenemos una vía para construir computadoras cuánticas utilizando espines de un solo átomo sin la necesidad de ningún campo magnético oscilante para su operación --explica Andrea Morello, profesor de Ingeniería Cuántica de la UNSW--. Además, podemos usar estos núcleos como sensores exquisitamente precisos de campos eléctricos y magnéticos, o para responder preguntas fundamentales en la ciencia cuántica".
Que un espín nuclear se pueda controlar con campos eléctricos, en lugar de magnéticos, tiene consecuencias de largo alcance. La generación de campos magnéticos requiere grandes bobinas y altas corrientes, mientras que las leyes de la física dictan que es difícil limitar los campos magnéticos a espacios muy pequeños: tienden a tener un área de influencia amplia.
Los campos eléctricos, por otro lado, se pueden producir en la punta de un electrodo pequeño, y se caen muy bruscamente de la punta. Esto hará que el control de átomos individuales colocados en dispositivos nanoelectrónicos sea mucho más fácil.
UN NUEVO PARADIGMA
El profesor Morello, cuyo estudio se publica en Nature, dice que el descubrimiento sacude el paradigma de la resonancia magnética nuclear, una técnica ampliamente utilizada en campos tan dispares como la medicina, la química o la minería. "La resonancia magnética nuclear es una de las técnicas más extendidas en la física moderna, la química e incluso la medicina o la minería", añade.
"Los médicos lo usan para ver el interior del cuerpo de un paciente con gran detalle, mientras que las compañías mineras lo usan para analizar muestras de rocas --prosigue--. Todo esto funciona extremadamente bien, pero para ciertas aplicaciones, la necesidad de usar campos magnéticos para controlar y detectar los núcleos puede ser una desventaja".
El profesor Morello utiliza la analogía de una mesa de billar para explicar la diferencia entre controlar los espines nucleares con campos magnéticos y eléctricos.
"Realizar una resonancia magnética es como tratar de mover una bola en particular en una mesa de billar levantando y sacudiendo toda la mesa --prosigue--. Vamos a mover la pelota prevista, pero también a todos los demás. El avance de la resonancia eléctrica es como recibir un palo de billar real para golpear la pelota exactamente donde la quieres".
Sorprendentemente, el profesor Morello desconocía por completo que su equipo había resuelto un problema de larga data al encontrar una forma de controlar los espines nucleares con campos eléctricos, sugerido por primera vez en 1961 por un pionero de la resonancia magnética y Premio Nobel, Nicolaas Bloembergen.
"He trabajado en resonancia de espín durante 20 años de mi vida, pero sinceramente, nunca había oído hablar de esta idea de resonancia eléctrica nuclear --detalla Morello--. Redescubrimos este efecto por completo accidente; nunca se me habría ocurrido buscarlo. Todo el campo de la resonancia eléctrica nuclear ha estado casi sin avances durante más de medio siglo, después de que los primeros intentos de demostrarlo resultaran demasiado difíciles".
POR CURIOSIDAD
Originalmente, los investigadores se propusieron realizar una resonancia magnética nuclear en un solo átomo de antimonio, un elemento que posee un gran espín nuclear.
Uno de los autores principales del trabajo, el doctor Serwan Asaad, explica: "Nuestro objetivo original era explorar el límite entre el mundo cuántico y el mundo clásico, establecido por el comportamiento caótico del giro nuclear. Esto fue puramente una curiosidad proyecto, sin ninguna aplicación en mente".
"Sin embargo, una vez que comenzamos el experimento, nos dimos cuenta de que algo andaba mal. El núcleo se comportó de manera muy extraña, negándose a responder a ciertas frecuencias, pero mostrando una respuesta fuerte en otras --recuerda el doctor Vincent Mourik, también autor principal del artículo--. Esto nos dejó perplejos por un tiempo, hasta que tuvimos un 'momento eureka' y nos dimos cuenta de que estábamos haciendo resonancia eléctrica en lugar de resonancia magnética".
"Lo que sucedió es que fabricamos un dispositivo que contiene un átomo de antimonio y una antena especial, optimizado para crear un campo magnético de alta frecuencia para controlar el núcleo del átomo --continúa Asaad--. Nuestro experimento exige que este campo magnético sea bastante fuerte, así que aplicamos mucha potencia a la antena y la explotamos".
"Normalmente, con núcleos más pequeños como el fósforo, cuando explotas la antena, se acaba el juego y tienes que tirar el dispositivo --señala el doctor Mourik--. Pero con el núcleo de antimonio, el experimento continuó funcionando. Resulta que después del daño, la antena estaba creando un fuerte campo eléctrico en lugar de un campo magnético. Así que 'redescubrimos' la resonancia eléctrica nuclear".
Después de demostrar la capacidad de controlar el núcleo con campos eléctricos, los investigadores utilizaron modelos informáticos sofisticados para comprender cómo influye exactamente el campo eléctrico en el giro del núcleo. Este esfuerzo destacó que la resonancia eléctrica nuclear es un fenómeno microscópico verdaderamente local: el campo eléctrico distorsiona los enlaces atómicos alrededor del núcleo, lo que hace que se reoriente.
"Este resultado histórico abrirá un tesoro de descubrimientos y aplicaciones --augura el profesor Morello--. El sistema que creamos tiene suficiente complejidad para estudiar cómo el mundo clásico que experimentamos todos los días emerge del reino cuántico".
"Además, podemos usar su complejidad cuántica para construir sensores de campos electromagnéticos con una sensibilidad enormemente mejorada --asegura--. Y todo esto, de una manera simple dispositivo electrónico hecho en silicio, controlado con pequeños voltajes aplicados a un electrodo de metal".
