Un feliz accidente en el laboratorio ha dado lugar a un descubrimiento revolucionario que no solo resolvió un problema que se mantuvo durante más de medio siglo, pero tiene importantes implicaciones para el desarrollo de sensores y computadoras cuánticas. Naturaleza , un equipo de ingenieros de la UNSW Sydney ha hecho lo que un célebre científico sugirió por primera vez en 1961 que era posible, pero ha eludido a todos desde entonces:controlar el núcleo de un solo átomo usando solo campos eléctricos.

"Este descubrimiento significa que ahora tenemos un camino para construir computadoras cuánticas utilizando espines de un solo átomo sin la necesidad de ningún campo magnético oscilante para su funcionamiento". ", dice Andrea Morello, profesora de ingeniería cuántica de Scientia de la UNSW". Podemos utilizar estos núcleos como sensores exquisitamente precisos de campos eléctricos y magnéticos, o para responder a preguntas fundamentales de la ciencia cuántica ".

Que un giro nuclear se puede controlar con electricidad, en lugar de campos magnéticos, tiene consecuencias de gran alcance. La generación de campos magnéticos requiere grandes bobinas y altas corrientes, si bien las leyes de la física dictan que es difícil confinar los campos magnéticos a espacios muy pequeños, tienden a tener un área de influencia amplia. Campos eléctricos, por otra parte, se puede producir en la punta de un pequeño electrodo, y se desprenden muy bruscamente de la punta. Esto facilitará mucho el control de los átomos individuales colocados en dispositivos nanoelectrónicos.

Un nuevo paradigma

El profesor Morello dice que el descubrimiento revoluciona el paradigma de la resonancia magnética nuclear, una técnica ampliamente utilizada en campos tan dispares como la medicina, química, o minería. "La resonancia magnética nuclear es una de las técnicas más extendidas en la física moderna, química, e incluso medicina o minería, ", dice." Los médicos lo usan para ver el interior del cuerpo de un paciente con gran detalle, mientras que las empresas mineras lo usan para analizar muestras de rocas. Todo esto funciona muy bien, pero para ciertas aplicaciones, la necesidad de utilizar campos magnéticos para controlar y detectar los núcleos puede ser una desventaja ".

El profesor Morello utiliza la analogía de una mesa de billar para explicar la diferencia entre controlar los espines nucleares con campos magnéticos y eléctricos.

"Realizar resonancia magnética es como intentar mover una bola en particular en una mesa de billar levantando y sacudiendo toda la mesa, ", dice." Vamos a mover la bola deseada, pero también trasladaremos a todos los demás ".

"El avance de la resonancia eléctrica es como recibir un palo de billar real para golpear la bola exactamente donde la quieres".

Asombrosamente, El profesor Morello ignoraba por completo que su equipo había resuelto un problema de larga data al encontrar una forma de controlar los espines nucleares con campos eléctricos. sugerido por primera vez en 1961 por un pionero de la resonancia magnética y premio Nobel, Nicolaas Bloembergen.

"He trabajado en resonancia de espín durante 20 años de mi vida, pero honestamente, Nunca había oído hablar de esta idea de resonancia eléctrica nuclear, "Dice el profesor 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 los primeros intentos de demostrarlo resultó demasiado complicado ".

Por curiosidad

Los investigadores se habían propuesto originalmente realizar resonancia magnética nuclear en un solo átomo de antimonio, un elemento que posee un gran espín nuclear. Uno de los autores principales del trabajo, Dr. Serwan Asaad, explica:"Nuestro objetivo original era explorar la frontera entre el mundo cuántico y el mundo clásico, establecido por el comportamiento caótico del espín nuclear. Este fue puramente un proyecto impulsado por la curiosidad, sin ninguna aplicación en mente ".

"Sin embargo, una vez que comenzamos el experimento, nos dimos cuenta de que algo andaba mal. El núcleo se comportó de manera muy extraña, negarse a responder a ciertas frecuencias, pero mostrando una fuerte respuesta a los demás, "recuerda el Dr. Vincent Mourik, también autor principal del artículo.

"Esto nos dejó perplejos por un tiempo, hasta que tuvimos un 'momento eureka' y nos dimos cuenta de que estábamos haciendo resonancia eléctrica en lugar de resonancia magnética ".

El Dr. Asaad continuó:"Lo que sucedió es que 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 lo hicimos volar! "

Juego en

"Normalmente, con núcleos más pequeños como el fósforo, cuando explotas la antena, se acaba el juego y tienes que tirar el dispositivo, "dice el Dr. Mourik." Pero con el núcleo de antimonio, el experimento siguió funcionando. Resulta que después del daño, 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 verdadero local, Fenómeno microscópico:el campo eléctrico distorsiona los enlaces atómicos alrededor del núcleo, provocando que se reoriente.

"Este resultado histórico abrirá un tesoro de descubrimientos y aplicaciones, ", dice el profesor Morello." El sistema que creamos tiene la complejidad suficiente para estudiar cómo el mundo clásico que experimentamos todos los días emerge del reino cuántico. Es más, podemos usar su complejidad cuántica para construir sensores de campos electromagnéticos con una sensibilidad enormemente mejorada. Y todo esto en un sencillo dispositivo electrónico fabricado en silicio, controlado con pequeños voltajes aplicados a un electrodo de metal! "