El comportamiento de los materiales depende de las interacciones entre innumerables átomos. Podría ver esto como un chat grupal gigante en el que los átomos intercambian información cuántica continuamente. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft en colaboración con la Universidad RWTH Aachen y el Centro de Investigación Jülich ahora han podido interceptar una conversación entre dos átomos. Presentan sus hallazgos en Ciencias el 28 de mayo.

Átomos por supuesto, realmente no hables. Pero pueden reaccionar entre sí. Este es particularmente el caso de los átomos magnéticos. "Cada átomo lleva un pequeño momento magnético llamado espín. Estos espines se influyen entre sí, como hacen las agujas de una brújula cuando las acercas. Si le das un empujón a uno de ellos, comenzarán a moverse juntos de una manera muy específica, "explica Sander Otte, líder del equipo que realizó la investigación. "Pero de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, cada giro puede apuntar simultáneamente en varias direcciones, formando una superposición. Esto significa que la transferencia real de información cuántica tiene lugar entre los átomos, como una especie de conversación ".

Aguja afilada

A gran escala, este tipo de intercambio de información entre átomos puede conducir a fenómenos fascinantes. Un ejemplo clásico es la superconductividad:el efecto en el que algunos materiales pierden toda la resistividad eléctrica por debajo de una temperatura crítica. Si bien se entiende bien para los casos más simples, nadie sabe exactamente cómo se produce este efecto en muchos materiales complejos. Pero es cierto que las interacciones cuánticas magnéticas juegan un papel clave. Con el fin de intentar explicar fenómenos como este, los científicos están muy interesados ​​en poder interceptar estos intercambios; para escuchar las conversaciones entre átomos.

En el equipo de Otte, lo hacen de manera bastante directa:literalmente colocan dos átomos uno al lado del otro para ver qué sucede. Esto es posible gracias a un microscopio de barrido de efecto túnel:un dispositivo en el que una aguja afilada puede sondear los átomos uno por uno e incluso puede reorganizarlos. Los investigadores utilizaron este dispositivo para colocar dos átomos de titanio a una distancia de poco más de un nanómetro (una millonésima parte de un milímetro) de distancia. A esa distancia los átomos solo pueden detectar el giro del otro. Si ahora torciera uno de los dos giros, la conversación comenzaría por sí sola.

Generalmente, este giro se realiza enviando señales de radio muy precisas a los átomos. Esta técnica de resonancia de espín, que recuerda bastante al principio de funcionamiento de un escáner de resonancia magnética que se encuentra en los hospitales, se utiliza con éxito en la investigación de bits cuánticos. Esta herramienta también está disponible para el equipo de Delft, pero tiene una desventaja. "Es simplemente demasiado lento, "dice el estudiante de doctorado Lukas Veldman, autor principal del Ciencias publicación. "Apenas ha comenzado a girar un giro antes de que el otro comience a girar. De esta manera, nunca podrá investigar qué sucede al colocar los dos giros en direcciones opuestas".

Enfoque poco ortodoxo

Entonces, los investigadores intentaron algo poco ortodoxo:invirtieron rápidamente el giro de uno de los dos átomos con un repentino estallido de corriente eléctrica. Para su sorpresa, Este enfoque drástico resultó en una hermosa interacción cuántica, exactamente por el libro. Durante el pulso, los electrones chocan con el átomo, haciendo que su giro gire. Otte:"Pero siempre asumimos que durante este proceso, la delicada información cuántica, la llamada coherencia, se perdió. Después de todo, los electrones son incoherentes:la historia de cada electrón antes de la colisión es ligeramente diferente y este caos se transfiere al espín del átomo, destruyendo cualquier coherencia ".

El hecho de que ahora esto parezca no ser cierto fue motivo de debate. Aparentemente, cada electrón aleatorio, independientemente de su pasado, puede iniciar una superposición coherente:una combinación específica de estados cuánticos elementales que es completamente conocida y que forma la base de casi cualquier forma de tecnología cuántica.

Superposición perfecta

"El quid es que depende de la pregunta que haga, "argumenta Markus Ternes, coautor de la Universidad RWTH Aachen y del Centro de Investigación Jülich. "El electrón invierte el giro de un átomo haciendo que apunte, decir, A la izquierda. Podrías ver esto como una medida, borrando toda la memoria cuántica. Pero desde el punto de vista del sistema combinado que comprende ambos átomos, la situación resultante no es tan mundana en absoluto. Para los dos átomos juntos, el nuevo estado constituye una superposición perfecta, permitiendo el intercambio de información entre ellos. Fundamentalmente para que esto suceda es que ambos espines se entrelazan:un estado cuántico peculiar en el que comparten más información entre sí de lo que es clásicamente posible ".

El descubrimiento puede ser importante para la investigación de bits cuánticos. Quizás también en esa investigación podría salirse con la suya siendo un poco menos cuidadoso al inicializar estados cuánticos. Pero para Otte y su equipo, es principalmente el punto de partida de experimentos aún más hermosos. Veldman:"aquí usamos dos átomos, pero ¿qué pasa cuando usas tres? O diez o mil Nadie puede predecir eso ya que la potencia informática se queda corta para tales números. Quizás algún día seremos capaces de escuchar conversaciones cuánticas que nadie pudo escuchar antes ".