Las propiedades 'fantasmagóricas' de los átomos, fotografiadas por un microscopio español pionero

De momento, la humanidad aún está en proceso de entender el mundo cuántico, pero poco a poco se están dando pasos que nos acercan a ello. Uno de estos avances está protagonizado por investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), en Castelldefels (Barcelona), quienes han construido un microscopio de gases cuánticos capaz de observar átomos individuales. Explicado de forma más sencilla: una máquina -llamada QUIONE en honor a la diosa griega de la nieve- que es capaz 'congelar' los átomos, capaces de estar en varios sitios a la vez, y fotografiarlos. Y no solo eso: los puede colocar de ciertas maneras y observar su comportamiento individual. Los resultados acaban de publicarse en la revista 'PRX Quantum'.

«Es la primera vez que se construye un microscopio de gases cuánticos en España (para cualquier especie atómica) y el primero en el mundo que utiliza estroncio», explica a ABC Leticia Tarruell, profesora en la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA) y líder del proyecto, en el que también participan los investigadores Sandra Buob, Jonatan Höschele, Vasiliy Makhalov y Antonio Rubio-Abadal. «Hasta ahora, estos microscopios se habían basado en átomos alcalinos, como el litio y el potasio, que tienen propiedades más simples en términos de su espectro óptico en comparación con los átomos alcalinotérreos como el estroncio. Esto significa que, en estos experimentos, el estroncio ofrece más ingredientes con los que jugar». Es decir, efectuar simulaciones más precisas y complejas.

En concreto, QUIONE llevará a cabo simulaciones de los materiales del futuro y que puedan, por ejemplo, ser superconductores a más altas temperaturas o que tengan determinadas propiedades magnéticas. «Lo que necesitemos», dice Tarruell. Porque la clave de que los materiales posean unas características u otras está a nivel microscópico: concretamente en sus electrones y en la forma en la que se disponen.

Y, utilizando los átomos como si fueran los electrones de los materiales, se pueden simular diferentes propiedades, ahorrando cálculos que con los métodos clásicos llevarían un tiempo inabarcable. Algo así como crear gemelos analógicos de los materiales dentro de QUIONE. «La simulación cuántica se puede utilizar para reducir sistemas muy complicados a modelos más simples para luego comprender preguntas abiertas que los ordenadores actuales no pueden responder, como por qué algunos materiales conducen electricidad sin pérdidas incluso a temperaturas relativamente altas», señala la investigadora.

Que nuestros 'ojos' tecnológicos entren en el mundo cuántico no es tarea sencilla. QUIONE necesita temperaturas muy bajas (del orden de los nanokelvin, a penas unas milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto; más frío de lo que hace en el espacio exterior) para 'congelar' los átomos. En apenas milisegundos, el sistema baja de forma abrupta la temperatura. Para ello, se utiliza la fuerza de varios rayos láser que permiten reducir la velocidad de los átomos hasta llegar a un punto en el que quedan casi inmóviles, sin apenas moverse. «Entonces, las leyes de la mecánica cuántica rigen su comportamiento y los átomos muestran nuevas características como la superposición y el entrelazamiento cuánticos», explican los autores en un comunicado.

Luego, con la ayuda de láseres especiales, los investigadores activan la red óptica, lo que mantiene los átomos ordenados en el espacio formando una cuadrícula. «Puedes imaginarte una huevera, donde los huecos individuales se rellenan con los huevos. Pero en lugar de huevos tenemos átomos y en lugar de una huevera tenemos la red óptica», señala por su parte Sandra Buob, primera autora del artículo.

Los átomos en esa 'huevera' interaccionan entre sí y se desplazan experimentando el efecto túnel para moverse de un lugar a otro (una propiedad cuántica por la que parte del átomo puede atravesar la 'pared' de la huevera de luz, como una especie de 'fantasma'). «En algunas imágenes observamos que los átomos estaban 'saltando' de un sitio a otro. Fue algo muy bonito de ver, ya que literalmente estábamos presenciando una manifestación directa de su comportamiento cuántico inherente», comparte Buob.

Finalmente, el grupo de investigación utilizó su microscopio de gases cuánticos para confirmar que el gas de estroncio era un superfluido, una fase cuántica de la materia que fluye sin viscosidad. «Los átomos pueden estar en varios sitios a la vez, por lo que si están deslocalizados, se ven como ondas. Cuando apagas la red, interfieren entre ellos, algo así como las ondas que se crean en un lago. Estas interferencias señalan que es un superfluido», señala por su parte Tarruell.

Aunque QUIONE ha sido todo un hito y promete ayudar a diseñar los materiales del futuro, el proyecto no acabará ahí. Ya se encuentra en construcción QUIONE II, un procesador híbrido analógico-digital. Estas máquinas cuánticas pueden trabajar de dos maneras: de forma analógica, realizando un gemelo artificial que recree el material en sí (como QUIONE); o de forma digital, igual que trabajan nuestros ordenadores, realizando operaciones. Esta segunda parte es el objetivo de QUIONE II. «Igual que otros sistemas utilizan cúbits superconductores o fotónicos, nosotros podemos usar los átomos como estos 'bits cuánticos' (los 0 y 1 que utiliza el lenguaje de los ordenadores clásicos, pero que en el caso de los cuánticos un cúbit puede ser 0 y 1 a la vez). Usar átomos como cúbits tiene muchas ventajas: existen de forma numerosa en la naturaleza; son todos iguales; y se pueden enfriar», dice la investigadora.

Además, estos átomos se conectan de forma natural entre ellos, sin necesidad de cables o circuitos, como sistemas como el de Google o IBM. «Estos sistemas tienen un gran potencial. Sin duda, estamos ante un momento muy emocionante para la simulación cuántica».