Los átomos también “respiran” y su aliento sirve para enviar información cuántica

Recientemente hemos informado que por primera vez los científicos han conseguido la radiografía de un único átomo, toda una proeza tecnológica de imprevisibles consecuencias porque hasta ahora solo se había podido obtener una imagen de 10.000 átomos juntos e inseparables. Resultaba imposible penetrar más en los misterios de la partícula más pequeña de la materia.

Ahora una nueva investigación ha descubierto algo no menos sorprendente: que los átomos también “respiran” y que esa vibración podemos escucharla y aprovecharla para las tecnologías cuánticas.

Se trata de una expresión metafórica que es el equivalente al proceso químico de la respiración presente en toda la naturaleza: en personas, animales y plantas (a través de sus hojas y raíces).

Incluso los océanos y la Tierra tienen procesos similares a lo que entendemos por respiración: los fenicios llamaban al océano Atlántico el “mar que respira” dos veces al día, señalando así el movimiento de las mareas. Cada gota del océano es un mar de sonidos.

La nueva investigación ha atribuido esa metáfora respiratoria a los átomos como una forma de describir la vibración mecánica que experimentan en determinadas circunstancias.

Estetoscopio atómico

Este equipo interdisciplinar de investigadores, dirigido por el profesor y presidente asociado de investigación en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la UW, Mo Li, ha descubierto que es posible detectar la “respiración” atómica, de la misma forma que un estetoscopio permite a un médico oír los sonidos internos de un cuerpo.

Es decir, no solo podemos hacerle una radiografía y observar que un átomo solitario es como “la nada que parpadea”, sino que también podemos oír cómo respira una partícula tan pequeña que se necesitarían 10 millones de átomos para formar un milímetro.

En el primer caso, cuando conseguimos su radiografía individual, pudimos observar los procesos químicos que se desarrollan en su interior y describir su “huella dactilar”, lo que se considera un logro que transformará al mundo, tal como explicamos en otro artículo.

En el segundo caso, la posibilidad de escuchar el “aliento” de un átomo permitirá que lo usemos para codificar y transmitir información cuántica, con aplicaciones potenciales en informática, sensores y comunicaciones cuánticas.

Puente de cuasipartículas

El aliento de un átomo, tal como han comprobado los autores de esta investigación, se puede escuchar a través de cuasipartículas.

Las cuasipartículas son como ondas que forman parte del ecosistema atómico y estos investigadores se han valido de dos de ellas, una llamada excitón (que solo se da en semiconductores y aislantes) y otra fonón (que genera sonidos en los sólidos) para escuchar cómo respira un átomo.

Trajinando con ambas cuasi partículas con la finalidad de obtener un emisor cuántico, el equipo descubrió que los átomos de diseleniuro de tungsteno emitían no solo fotones y excitones, sino también fonones.

Los fonones son un producto de la vibración atómica que ocurre en toda la materia: es un proceso natural que puede verse como similar a la respiración. Son ondas de sonido de nivel cuántico que permiten escuchar la “respiración” de un átomo.

Nuevo efecto cuántico

Una vez escucharon la respiración de un átomo, los autores de esta investigación pensaron en aprovechar los fonones para impulsar las tecnologías cuánticas.

Y comprobaron experimentalmente que se puede manipular la dinámica de las cuasipartículas en un material y aprovecharlas para codificar información cuántica en las ondas sonoras que generan.

También que ese aprovechamiento se puede conseguir en un dispositivo compuesto con una pequeña cantidad de átomos. Es decir, se puede aprovechar el aliento conjunto de algunos átomos para enviar información a través de un material.

Los investigadores confían en que sus resultados servirán para desarrollar circuitos de computación cuántica, ya que los fonones proporcionan un nuevo tipo de efecto cuántico que se puede utilizar para controlar fotones individuales que se ejecutan a través de circuitos ópticos integrados para muchas aplicaciones, tal como explican en el artículo que publican en la revista Nature Nanotechnology.

Nuevos horizontes

Aunque desde los años noventa del siglo pasado es posible ver y manipular los átomos individualmente en la superficie de un material mediante microscopio de efecto túnel, los dos desarrollos recientes sobre los átomos (su radiografía y aliento) nos hablan de nuevos horizontes en la exploración de la materia que abren posibilidades insospechadas de nuevas aplicaciones que van desde la astronomía hasta el tratamiento de enfermedades, pasando también por nuevas tecnologías cuánticas.

Referencia

Tunable phononic coupling in excitonic quantum emitters. Adina Ripin et al. Nature Nanotechnology (2023). DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-023-01410-6