Cuando se trata de comprender completamente los secretos ocultos de los materiales cuánticos, que toma uno para conocer uno, Los científicos dicen:Solo las herramientas que también operan sobre principios cuánticos pueden llevarnos allí.

Un nuevo centro de investigación del Departamento de Energía se centrará en el desarrollo de esas herramientas. Basado en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, el Centro de Sensores Cuánticos y Materiales Cuánticos reúne a expertos de UIUC, Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del DOE, Universidad de Stanford y Universidad de Illinois-Chicago.

Trabajarán en el desarrollo de tres dispositivos de detección cuántica de vanguardia:un microscopio qubit de barrido, un instrumento de espectroscopia que aprovecha pares de electrones entrelazados y otro instrumento que sondeará materiales con pares de fotones del láser de rayos X de electrones libres de SLAC, la fuente de luz coherente Linac, que se ha reabierto recientemente después de una actualización.

Estas nuevas técnicas permitirán a los investigadores ver con mucho más detalle por qué los materiales cuánticos hacen las cosas raras que hacen. allanando el camino para descubrir nuevos materiales cuánticos e inventar sondas aún más sensibles de su comportamiento.

El trabajo se centrará en comprender los procesos a nivel atómico detrás de los superconductores no convencionales que conducen la electricidad sin resistencia a temperaturas relativamente altas; aisladores topológicos, que llevan corriente sin pérdida a lo largo de sus bordes; y metales extraños, que se superconducen cuando se enfrían pero tienen propiedades extrañas a temperaturas más altas.

“Lo que es emocionante es que este centro nos da la oportunidad de crear algunas técnicas de medición cuántica realmente nuevas para estudiar materiales cuánticos relevantes para la energía, "el director del centro Peter Abbamonte, profesor de física en UIUC, dijo en un comunicado de prensa.

"A menudo nos quedamos atrapados en el ciclo de usar las mismas medidas antiguas, no porque no necesitemos nuevos tipos de información o conocimiento, pero debido a que desarrollar técnicas es costoso y requiere mucho tiempo, "Dijo Abbamonte. El nuevo centro, él dijo, permitirá a los científicos ampliar los límites de la medición cuántica al abordar problemas mayores.

Estados exóticos enredados

Los materiales cuánticos reciben su nombre del hecho de que sus propiedades exóticas se derivan del comportamiento cooperativo de los electrones y otros fenómenos que obedecen las reglas de la mecánica cuántica. en lugar de las conocidas leyes de la física newtoniana que gobiernan nuestro mundo cotidiano. Estos materiales podrían eventualmente tener un gran impacto en las tecnologías energéticas futuras, por ejemplo, al permitir que las personas transmitan energía prácticamente sin pérdidas a largas distancias y hacer que el transporte sea mucho más eficiente en términos de energía.

Pero un material cuántico puede contener una mezcla confusa de exóticos, estados superpuestos de la materia que son difíciles de resolver con herramientas convencionales.

"En el mundo cuántico todo se enreda, por lo que los límites de un objeto comienzan a superponerse con los límites de otro, "dijo el profesor de SLAC Thomas Devereaux, uno de los seis investigadores de SLAC y Stanford que colaboran en el nuevo centro. "Investigaremos este enredo usando varias herramientas y técnicas".

Los sensores cuánticos no son nada nuevo. Incluyen dispositivos de interferencia cuántica superconductores, o CALAMARES, inventado hace medio siglo para detectar campos magnéticos extremadamente pequeños, y sensores de borde de transición superconductores, que incorporan SQUIDS para detectar señales exquisitamente pequeñas en astronomía, no proliferación nuclear, análisis de materiales y defensa de la patria.

En un nivel básico, operan poniendo el sensor en un estado cuántico conocido y permitiéndole interactuar con el objeto de interés. La interacción cambia el estado del sistema cuántico, y la medición del nuevo estado del sistema revela información sobre el objeto que no se podría obtener con enfoques convencionales.

Qubits en una propina

En una de las tecnologías en desarrollo, el microscopio de barrido qubit, el sensor cuántico consistiría en uno o más qubits colocados en la punta de una sonda y movidos sobre la superficie de un material. Un qubit es una unidad básica de información cuántica, como los bits de la memoria ordinaria de una computadora que van y vienen entre cero y 1. Pero un qubit existe como una superposición de los estados cero y 1 a la vez. El qubit del escáner podría consistir en un solo átomo de hidrógeno, por ejemplo, con el espín de su único electrón existiendo simultáneamente como arriba, abajo y todos los posibles estados intermedios.

"Puede intentar entrelazar el sensor qubit con el estado cuántico del material que está estudiando para poder sentir el entrelazamiento de los estados cuánticos dentro del material, "dijo Kathryn Moler, Vicerrector de Stanford y decano de investigación. "Si podemos hacer eso, será realmente genial ".