Creado:
13.04.2025 | 17:37
Actualizado:
13.04.2025 | 17:37
Hace apenas unas décadas, hablar de controlar el comportamiento de un átomo en plena “efervescencia” térmica sonaba casi como ciencia ficción. Los átomos, cuando están a temperaturas elevadas, se mueven y chocan entre sí de manera caótica. Son partículas inquietas, imposibles de domar, y mucho menos de predecir. Y sin embargo, en 2024, un equipo de científicos ha logrado algo sorprendente: han encontrado la forma de ralentizar una de las propiedades más difíciles de controlar de los átomos calientes, su decoherencia cuántica.
Este avance, publicado en Physical Review Letters por investigadores de la Universidad Hebrea de Jerusalén y la Universidad de Cornell, supone un giro inesperado en la carrera por dominar la tecnología cuántica. Como explica el propio estudio, los investigadores lograron "una supresión de más de un orden de magnitud en la tasa de decoherencia de los giros de cesio" gracias a un truco aparentemente sencillo: aplicar campos magnéticos extremadamente débiles. Una estrategia tan elegante como sorprendente, que abre nuevas puertas a tecnologías que dependen de mantener la información cuántica durante el mayor tiempo posible.
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Eugenio M. Fernández Aguilar
Qué ocurre dentro de un átomo cuando pierde su memoria cuántica
Los átomos, en el mundo cuántico, son entidades que pueden almacenar información en una propiedad muy especial llamada spin. El spin es una especie de orientación interna que tienen los electrones, como una pequeña brújula cuántica. Es una de las piezas fundamentales en los sistemas de computación cuántica o en los dispositivos de medición más avanzados.
El problema es que ese spin es extremadamente sensible a lo que ocurre a su alrededor. Los choques entre átomos, la luz, o incluso el gas en el que se encuentran pueden hacer que los spins se desordenen muy rápido. Ese fenómeno se llama decoherencia cuántica, y es el principal enemigo de quienes intentan construir dispositivos cuánticos estables.
Como explica literalmente el estudio publicado, "las interacciones del spin electrónico con los grados de libertad rotacionales durante las colisiones o con campos externos son procesos fundamentales que limitan el tiempo de coherencia del spin en los gases".
Este desorden aparece de dos formas principales. Por un lado, cuando los átomos chocan entre sí o con moléculas de nitrógeno, se produce lo que se conoce como interacción spin-rotación. Por otro, cuando los átomos absorben luz, también se altera su spin. En ambos casos, la memoria cuántica se pierde de manera acelerada.
Fuente: ChatGPT / E. F.
El experimento que desafió lo que sabíamos sobre decoherencia
Lo habitual hasta ahora era aceptar que, a altas temperaturas, poco se podía hacer para proteger esa información. La alternativa más usada consistía en trabajar a temperaturas extremadamente bajas o en diseñar sistemas muy aislados, algo poco práctico para muchos usos.
Pero el equipo de Mark Dikopoltsev, Avraham Berrebi, Uriel Levy y Or Katz hizo algo diferente. En lugar de intentar complicar las cosas, decidieron explorar qué ocurría si reducían al mínimo el campo magnético aplicado sobre el sistema. Lo que encontraron fue asombroso.
Según se describe en el paper, "observamos una supresión de un factor ξ = 12 de la tasa de decoherencia de los spins a bajos campos magnéticos". Es decir, lograron que los átomos conservaran su memoria cuántica hasta doce veces más tiempo que en condiciones normales.
Y lo mejor es que este efecto no dependía de tener un número concreto de átomos ni un nivel específico de polarización. Como señalan en el propio trabajo, "la supresión es robusta para un amplio rango de densidades y grados de polarización de spin".
Fuente: ChatGPT / E. F.
Qué significa que un campo magnético tan débil pueda controlar los átomos
La clave de este hallazgo está en un fenómeno curioso que ocurre en el interior del átomo. Normalmente, a campos magnéticos altos, las diferentes partes del átomo —en concreto, el spin del electrón y el del núcleo— empiezan a precesar de manera desincronizada. Es lo que los científicos llaman precesión asíncrona.
Como recoge el paper de manera literal, "la precesión de Larmor de los diferentes niveles hiperfinos, que inicialmente están en fase, se vuelve asincrónica y da lugar a una rápida decoherencia de la señal promedio del spin del conjunto".
Cuando el campo magnético es muy débil, esta precesión desincronizada desaparece y el sistema vuelve a funcionar de forma más coordinada. Es como si la brújula interna de cada electrón volviera a alinearse con su núcleo, consiguiendo que el desorden tarde mucho más en aparecer.
Además, este mecanismo funciona tanto cuando el desorden viene de colisiones entre átomos como cuando la causa es la absorción de luz. El propio estudio asegura que "hemos demostrado experimentalmente una supresión de más de un orden de magnitud de la decoherencia de tipo T2 a bajos campos magnéticos para procesos que no preservan el spin, como la interacción spin-rotación y la absorción de luz".
Fuente: ChatGPT / E. F.
Aplicaciones prácticas que pueden cambiar el futuro
Este avance no solo es importante desde un punto de vista teórico. Las tecnologías que podrían beneficiarse de esta técnica son muchas. Por ejemplo, los relojes atómicos, que miden el tiempo con una precisión extraordinaria, o los sensores cuánticos, que permiten detectar campos magnéticos o gravitatorios con gran sensibilidad.
Además, este trabajo podría ser muy útil en el desarrollo de memorias cuánticas, es decir, dispositivos capaces de almacenar información cuántica durante más tiempo sin perderla.
El propio paper señala que esta técnica podría usarse en otros sistemas similares, como vapores de otros metales alcalinos. Y también plantea que quizá otros mecanismos de relajación del spin, como las interacciones con las paredes del recipiente o las moléculas de Van der Waals, puedan controlarse de forma parecida.
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Eugenio M. Fernández Aguilar
Un hallazgo que reescribe lo que creíamos saber
El descubrimiento realizado por este equipo es un ejemplo claro de cómo la física cuántica sigue guardando sorpresas. A veces, lo que parecía un obstáculo insalvable se convierte en una oportunidad.
El propio trabajo lo resume con claridad: "este trabajo amplía el uso del campo magnético como herramienta para suprimir la decoherencia que se origina en procesos que no preservan los spins".
En un mundo cada vez más interesado en las posibilidades de la computación cuántica, los sensores ultraprecisos y las tecnologías del futuro, aprender a controlar lo que hasta ahora parecía incontrolable dentro de un átomo es, sin duda, una de esas noticias que marcan un antes y un después.
Fuente:
Autor: efernandez
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