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

Los accidentes no tienen Siempre y en todo momento por qué ser algo malo. Si es que no que se lo digan al club de ingenieros de la UNSW Sydney, quienes sin querer han conseguido solucionar un problema que lleva intrigando a los físicos Desde mediados del siglo XX y que Hasta ahora Solo era posible en teoría: controlar el núcleo de un átomo utilizando Sólo campos eléctricos. Los resultados se terminan de publicar en la revista «Nature». Los átomos tienen una propiedad cuántica llamada espín (o bien «spin» en inglés, del verbo girar), que les deja «girar» de una forma determinada. Hasta en seguida, el hombre podía manipular ese espín Debido a los sectores magnéticos -creados Desde enormes bobinas y altas corrientes en grandes espacios- y aplicar esta cualidad, por poner un ejemplo, a los ordenadores cuánticos que, de momento, distan mucho de ser equipos portátiles Del mismo modo que las computadoras clásicas. Aunque, hay una teoría elaborada por un pionero de la resonancia magnética y Premio Nobel, Nicolaas Bloembergen que en 1961 ya planteaba que ese giro podría refrenarse Mediante ámbitos eléctricos, mucho más sencillos de producir que los magnéticos. Sin embargo su demostración práctica se había escapado de la ciencia. Hasta la fecha. «Este descubrimiento significa una nueva vía para realizar ordenadores cuánticos utilizando espines de un Sólo átomo sin el requerimiento de ningún ámbito magnético oscilante para su operación», explica Andrea Morello, maestro de Ingeniería Cuántica de la UNSW. «Además, podemos usar estos núcleos En este sentido tal como sensores tremendamente precisos de ámbitos eléctricos y magnéticos, o bien para contestar preguntas fundamentales en la ciencia cuántica». Del mismo modo que una mesa de billar
Que un espín nuclear se pueda controlar con ámbitos eléctricos en vez de con magnéticos tiene grandes aplicaciones. La generación de campos magnéticos requiere grandes bobinas y altas corrientes, Entre tanto que las leyes de la física dictan que es difícil limitar los ámbitos magnéticos a espacios muy pequeños: tienden a contar un área de repercusión extensa. Los sectores eléctricos, en cambio, se pueden generar en la punta de un electrodo pequeño. Esto podría propiciar que el control de átomos individuales colocados en dispositivos nanoelectrónicos de manera 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 y Asimismo inclusive la medicina o bien la minería. Los doctores lo usan para ver el interior del cuerpo de un paciente con gran dato, al paso que las compañías mineras lo utilizan para examinar muestras de rocas. Todo esto funciona extremadamente bien, Pero para Algunas aplicaciones, el requerimiento de utilizar sectores magnéticos para controlar y descubrir los núcleos puede ser una desventaja», apunta. El estudioso utiliza una mesa de billar Del mismo modo que analogía para explicar la diferencia entre controlar los espines nucleares con ámbitos magnéticos o eléctricos. «Realizar una resonancia magnética es Al igual que tratar de mover una bola en especial en una mesa de billar levantando y sacudiendo toda la mesa. Esto produce que movamos la pelota que hemos elegido mover, Sin embargo También todas y cada una de las demas», explica. Si bien, usar un campo eléctrico sería «como percibir un taco de billar para golpear la bola que quieres exactamente donde buscas». Si bien, ese taco se dirigió un regalo inesperado, Porque el club al rpincipio no tenía ni idea de que había solucionado el problema cuántico con más de medio siglo de discusión científica. «He trabajado en resonancia de espín Durante 20 años de mi vida, Sin embargo sinceramente, nunca había oído hablar de esta idea de resonancia eléctrica nuclear», dice Morello. «’Redescubrimos’ este efecto por completo accidente; nunca se Me habría acontecido buscarlo. Todo el sitio de la resonancia eléctrica nuclear ha estado prácticamente inactivo En medio más de medio siglo, Tras que los primeros intentos de demostrarlo fracasaran». El fallo en el laboratorio
En realidad, lo que el elenco buscaba era realizar una resonancia magnética nuclear en un átomo de antimonio, un elemento que posee un gran espín nuclear. Uno de los creadores principales del trabajo, Serwan Asaad, explica: «Nuestro objetivo original era explorar el límite entre el planeta cuántico y el planeta 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 en el horario Empezaron el experimento, los investigadores se dieron cuenta de que algo no marchaba De exactamente la misma manera que se esperaba. «El núcleo se comportó de forma muy extraña, negándose a responder a Algunas frecuencias, Pero mostrando una respuesta ferviente en otras», se acuerda Vincent Mourik, También cantautor primordial del estudio. Avanzó tiempo hasta que se dieron cuenta de que en realidad aquello era todo un triunfo. «Al final fabricamos un dispositivo que contiene un átomo de antimonio y una antena importante, optimizado para crear un campo magnético de alta frecuencia para controlar el núcleo del átomo. Nuestro experimento exige que este lugar magnético sea bastante especial, por lo que aplicamos mucha potencia a la antena y la hicimos explotar (…) Por norma general, con núcleos más pequeños Como el fósforo, Una vez que explotas la antena, se termina el juego y tienes que tirar el dispositivo», explica Mourik. «Pero con el núcleo de antimonio, el experimento continuó funcionando aun a continuación del daño. De hecho, la antena estaba creando un esencial sector eléctrico en sitio de un sitio magnético. Por lo que ‘redescubrimos’ la resonancia eléctrica nuclear». Redescubriendo el fenómeno
Después de demostrar la capacidad de controlar el núcleo con ámbitos eléctricos, los investigadores utilizaron modelos informáticos sofisticados para comprender cómo influye exactamente el campo eléctrico en el giro del núcleo. Este esfuerzo subrayó que la resonancia eléctrica nuclear es un fenómeno microscópico en realidad local: el ámbito eléctrico distorsiona los enlaces atómicos cerca de del núcleo, lo cual hace que se reoriente. En otros términos, 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 de qué forma el mundo clásico que experimentamos todos los días emerge del reino cuántico. a su vez, podemos utilizar su complejidad cuántica para realizar sensores de ámbitos 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.