Un feliz accidente en el laboratorio ha llevado a un descubrimiento revolucionario que no solo resolvió un problema que duró más de medio siglo, sino que también tiene implicaciones importantes para el desarrollo de computadoras y sensores cuánticos. En un estudio publicado hoy en Naturaleza , un equipo de ingenieros de UNSW Sydney ha hecho lo que un célebre científico sugirió por primera vez en 1961 que era posible, pero desde entonces ha eludido a todos: controlar el núcleo de un solo átomo utilizando solo campos eléctricos.
"Este descubrimiento significa que ahora tenemos una vía para construir computadoras cuánticas usando espines de un solo átomo sin la necesidad de ningún campo magnético oscilante para su operación", dice Andrea Morello, profesora de Ingeniería Cuántica de la UNSW en Ciencia y Tecnología. "Además, podemos usarestos núcleos como sensores exquisitamente precisos de campos eléctricos y magnéticos, o para responder preguntas fundamentales en la ciencia cuántica "
Que un giro nuclear se pueda controlar con campos eléctricos, en lugar de campos magnéticos, tiene consecuencias de largo alcance. La generación de campos magnéticos requiere grandes bobinas y altas corrientes, mientras que las leyes de la física establecen que es difícil limitar los campos magnéticos a muy pequeñosespacios: tienden a tener una amplia área de influencia. Los campos eléctricos, por otro lado, se pueden producir en la punta de un electrodo pequeño y se caen muy bruscamente de la punta. Esto hará que el control de átomos individualescolocado en dispositivos nanoelectrónicos mucho más fácil.
UN NUEVO PARADIGMA
El profesor Morello dice que el descubrimiento sacude el paradigma de la resonancia magnética nuclear, una técnica ampliamente utilizada en campos tan dispares como la medicina, la química o la minería. "La resonancia magnética nuclear es una de las técnicas más extendidas en la física moderna, la química yincluso medicina o minería ", dice." Los médicos lo usan para ver el interior del cuerpo de un paciente con gran detalle, mientras que las compañías mineras lo usan para analizar muestras de rocas. Todo esto funciona extremadamente bien, pero para ciertas aplicaciones, la necesidad de usar campos magnéticos paracontrolar 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 espines nucleares con campos magnéticos y eléctricos.
"Realizar una resonancia magnética es como tratar de 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 a todos los demás".
"El avance de la resonancia eléctrica es como recibir un palo de billar real para golpear la pelota exactamente donde la quieres"
Sorprendentemente, el profesor Morello desconocía 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 la resonancia eléctrica nuclear", dice el profesor Morello. "Descubrimos este efecto por completo accidente;nunca se me ocurrió buscarlo. Todo el campo de la resonancia eléctrica nuclear ha estado casi inactivo durante más de medio siglo, después de que los primeros intentos de demostrarlo resultaron demasiado desafiantes ".
FUERA DE CURIOSIDAD
Los investigadores se habían propuesto originalmente realizar una resonancia magnética nuclear en un solo átomo de antimonio, un elemento que posee un gran espín nuclear. Uno de los autores principales del trabajo, el Dr. Serwan Asaad, explica: "Nuestro objetivo original eraexplorar el límite entre el mundo cuántico y el mundo clásico, establecido por el comportamiento caótico del espín nuclear. Este fue un proyecto puramente curioso, 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, negándose a responder a ciertas frecuencias, pero mostrando una respuesta fuerte en otras", recuerda el Dr. Vincent Mourik, también autor principal deel papel.
"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 bastantefuerte, por lo que aplicamos mucha potencia a la antena, ¡y la explotamos! "
JUEGO ENCENDIDO
"Normalmente, con núcleos más pequeños como el fósforo, cuando explotas la antena se 'termina el juego' y tienes que tirar el dispositivo", dice el Dr. Mourik. "Pero con el núcleo de antimonio, el experimento continuó funcionando.Resulta que después del daño, la antena estaba creando un campo eléctrico fuerte 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 sofisticados de computadora para comprender cómo influye exactamente el campo eléctrico en el giro del núcleo. Este esfuerzo destacó que la resonancia eléctrica nuclear es un fenómeno microscópico verdaderamente local: elel campo eléctrico distorsiona los enlaces atómicos alrededor del núcleo, haciendo que se reoriente.
"Este resultado histórico abrirá un tesoro de descubrimientos y aplicaciones", dice el profesor Morello. "El sistema que creamos tiene suficiente complejidad para estudiar cómo el mundo clásico que experimentamos todos los días emerge del reino cuántico. Además, podemosuse su complejidad cuántica para construir sensores de campos electromagnéticos con una sensibilidad enormemente mejorada. ¡Y todo esto, en un dispositivo electrónico simple hecho en silicio, controlado con pequeños voltajes aplicados a un electrodo de metal! "
Investigadores clave: Profesor de Scientia Andrea Morello UNSW, Dr. Serwan Asaad UNSW, Dr. Vincent Mourik UNSW, Profesor Asociado Jeffrey McCallum Universidad de Melbourne, Dr. Andrew Baczewski Laboratorios Nacionales Sandia
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Nueva Gales del Sur . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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