Un accidente en un laboratorio resuelve un rompecabezas cuántico de medio siglo

Las partículas elementales tienen una propiedad llamada spin (del inglés, giro) por el cual tienen un momento angular intrínseco de valor fijo. Hasta ahora, el hombre podía manipular ese «giro» gracias a los campos magnéticos -creados a partir de enormes bobinas y altas corrientes en grandes espacios- y aplicar esta propiedad, por ejemplo, a los ordenadores cuánticos que, de momento, distan mucho de ser equipos portátiles como las computadoras clásicas. Sin embargo, existe una teoría elaborada por un pionero de la resonancia magnética y Premio Nobel , Nicolaas Bloembergen , que en 1961 ya proponía que ese giro podría controlarse mediante campos eléctricos, mucho más sencillos de generar que los magnéticos. Pero su demostración práctica se había escapado de la ciencia. Hasta ahora.

«Este descubrimiento significa una nueva vía para construir ordenadores cuánticos 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 tremendamente precisos de campos eléctricos y magnéticos, o para responder preguntas fundamentales en la ciencia cuántica».

Que el giro nuclear se pueda controlar con campos eléctricos en vez de con magnéticos tiene grandes aplicaciones . 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, en cambio, se pueden producir en la punta de un electrodo pequeño. Esto podría propiciar que el control de átomos individuales colocados en dispositivos nanoelectrónicos de forma mucho más sencilla .

Así, Morello asegura que este descubrimiento sacude el paradigma de la resonancia magnética nuclear, una técnica ampliamente usada en la actualidad. «La resonancia magnética nuclear es una de las técnicas más extendidas en la física moderna, la química e incluso la medicina o la minería . 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. 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», señala.

El investigador utiliza una mesa de billar como analogía para explicar la diferencia entre controlar los espines nucleares con campos magnéticos o 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 . Esto provoca que movamos la pelota que hemos elegido mover, pero también todas las demas», explica. Sin embargo, utilizar un campo eléctrico sería «como recibir un taco de billar para golpear la bola que quieres exactamente donde buscas».

Sin embargo, ese taco fue un regalo inesperado, ya que el equipo al principio no tenía ni idea de que había solucionado el problema cuántico con más de medio siglo de discusión científica. «He trabajado en resonancia del spin durante 20 años de mi vida, pero sinceramente, nunca había oído hablar de esta idea de resonancia eléctrica nuclear», afirma Morello. « 'Redescubrimos' este efecto por completo accidente ; nunca se me habría ocurrido buscarlo. Todo el campo de la resonancia eléctrica nuclear ha estado casi inactivo durante más de medio siglo, después de que los primeros intentos de demostrarlo fracasaran».

En realidad, lo que el equipo buscaba era 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, Serwan Asaad, explica: «Nuestro objetivo original era explorar el límite entre el mundo cuántico y el mundo clásico , establecido por el comportamiento caótico del espín nuclear. Esto fue puramente una curiosidad dentro de un proyecto dirigido, sin ningua aplicación en mente».

Pero cuando comenzaron el experimento, los investigadores se dieron cuenta de que algo no marchaba como se esperaba . «El núcleo se comportó de manera muy extraña, negándose a responder a ciertas frecuencias, pero mostrando una respuesta fuerte en otras», recuerda Vincent Mourik , también autor principal del estudio. Pasó tiempo hasta que se dieron cuenta de que en realidad aquello era todo un logro.

«Al final 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. Nuestro experimento exige que este campo magnético sea bastante fuerte, así que aplicamos mucha potencia a la antena y la hicimos explotar (...) Normalmente, con núcleos más pequeños como el fósforo, cuando explotas la antena, se acaba el juego y tienes que tirar el dispositivo», explica Mourik. «Pero con el núcleo de antimonio, el experimento continuó funcionando incluso después del daño. De hecho, 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. Es decir, es mucho más eficaz y dirigido

«Este resultado histórico abrirá un tesoro de descubrimientos y aplicaciones», afirma 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. Y todo esto, de una manera simple dispositivo electrónico hecho en silicio, controlado con pequeños voltajes aplicados a un electrodo de metal». Un paso más en la era cuántica.