La avalancha cuántica
En la Universidad Técnica de Viena se consiguió mantener estable un sistema muy inestable formado por muchas partículas cuánticas y liberar su energía de forma selectiva de una sola vez.
Se trata de diamantes muy especiales con los que se trabaja en la TU Wien: Su red cristalina no es perfectamente regular, contiene numerosos defectos. En lugares donde en un diamante perfecto habría dos átomos de carbono vecinos, hay un átomo de nitrógeno, el segundo lugar queda vacante. Con la ayuda de las microondas, estos defectos pueden alternar entre dos estados diferentes: un estado de mayor energía y otro de menor energía. Esto los convierte en una herramienta interesante para diversas tecnologías cuánticas, como nuevos tipos de sensores cuánticos o componentes para ordenadores cuánticos.
Ahora ha sido posible controlar estos defectos con tanta precisión que pueden utilizarse para desencadenar un efecto espectacular: Todos los defectos pasan al estado de alta energía, en el que permanecen durante algún tiempo, hasta que se libera toda la energía con un minúsculo pulso de microondas y todos los defectos cambian simultáneamente al estado de baja energía, de forma similar a un campo de nieve en el que una diminuta bola de nieve desencadena una avalancha y toda la masa de nieve truena simultáneamente hacia el valle.
Visualización por ordenador del resonador de microondas con chips superconductores y diamante (negro). La onda plateada representa la avalancha cuántica, la emisión repentina de un impulso electromagnético.
Giros atómicos y microondas
"Los defectos del diamante tienen un espín, un momento angular que apunta hacia arriba o hacia abajo. Éstos son los dos estados posibles en los que pueden estar", explica Wenzel Kersten, primer autor de la presente publicación, que actualmente trabaja en su tesis doctoral en el grupo de investigación del profesor Jörg Schmiedmayer (Instituto Atómico, Universidad Tecnológica de Viena).
Con la ayuda de un campo magnético, se puede conseguir que, por ejemplo, el estado "spin up" corresponda a una energía más alta que el "spin down". En este caso, la mayoría de los átomos estarán en el estado "spin down" - normalmente se esfuerzan hacia el estado de baja energía, como una pelota en un bol que normalmente rueda hacia abajo.
Sin embargo, con sofisticados trucos técnicos, se puede crear la llamada "inversión" - se consigue que todos los defectos se asienten en el estado de mayor energía. "Para ello se utiliza radiación de microondas, con la que primero se llevan los espines al estado deseado y luego se cambia el campo magnético externo de tal manera que los espines se congelan en este estado, por así decirlo", explica el profesor Stefan Rotter (Instituto de Física Teórica, Universidad Tecnológica de Viena), que dirigió la parte teórica del trabajo de investigación.
Una "inversión" de este tipo es inestable. En principio, los átomos podrían cambiar espontáneamente de estado, como ocurre con el equilibrio de un palo de escoba, que en principio puede volcarse espontáneamente en cualquier dirección. Pero el equipo de investigadores pudo demostrarlo: Gracias al control extremadamente preciso que permite la tecnología de chips desarrollada en la Universidad Técnica de Viena, es posible mantener estables los espines de los átomos durante unos 20 milisegundos. "Para los estándares de la física cuántica, es una cantidad de tiempo enorme. Es unas cien mil veces lo que se tarda en crear este estado de alta energía o en volver a descargarlo. Es como tener una batería de teléfono móvil que se carga en una hora y mantiene su energía por completo durante diez años", afirma Jörg Schmiedmayer.
Pequeña causa, gran efecto
Durante este tiempo, sin embargo, es posible provocar el cambio de estado de forma selectiva, y esto puede hacerse con una causa muy pequeña y débil, como un pulso de microondas de intensidad mínima. "Hace que un átomo cambie su espín, con lo que los átomos vecinos también cambian su espín - esto crea un efecto de avalancha. Toda la energía se libera en forma de un pulso de microondas cien mil millones de veces más intenso que el que se utilizó originalmente para desencadenar el efecto", explica Stefan Rotter. "Es proporcionalmente como si un solo copo de nieve desencadenara una placa de nieve de varios cientos de toneladas".
Esto ofrece muchas posibilidades interesantes: Por ejemplo, se pueden amplificar impulsos electromagnéticos débiles, utilizarlos para sensores especiales o crear una especie de "batería cuántica" con la que almacenar cierta cantidad de energía a nivel cuántico y liberarla de forma selectiva.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.
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