La tecnología cuántica es un campo creciente de física e ingeniería que utiliza las propiedades de la mecánica cuántica como base para aplicaciones prácticas avanzadas como la computación cuántica, sensores, información, comunicación y medicina. Esto promete conducir a una nueva era de tecnología diferente a todolo sabemos. Las computadoras serán mucho más potentes, el tratamiento médico será no invasivo y mucho más seguro que hoy, e incluso se puede imaginar la teletransportación. Un fenómeno que se encuentra en el centro de este desarrollo es la transición de fase cuántica.
Las transiciones de fase están presentes en nuestra vida cotidiana, comenzando desde el agua hirviendo para nuestro café de la mañana hasta la fusión de un cubito de hielo en nuestra bebida. En estas transiciones de fase entre las fases sólida, líquida y gaseosa, podemosvisualice directamente ciertos aspectos de la transición. Vemos burbujas de una fase en la otra, por ejemplo burbujas de aire en agua hirviendo, o gotas de agua en hielo. Para ver estas transiciones de fase, solo necesitamos nuestros ojos. Estas transiciones de fase "clásicas", con las que todos estamos familiarizados, tienen una característica común que es que su fuerza impulsora es la temperatura. El hielo se derrite a cero grados Celsius y se evapora a cien grados. Qué frío sería en lugar de calentaragua en una tetera para una taza de té, podríamos tomar un vaso de agua fría y hervirlo acercándolo a un imán. En nuestro mundo esto es imposible, pero en el mundo cuántico funciona.
La comunidad científica ha ganado recientemente un interés creciente en un tipo diferente de transiciones de fase - "transiciones de fase cuántica" - que ocurren a la temperatura cero absoluta menos doscientos setenta y tres grados. Estas transiciones no son impulsadas por eltemperatura, pero al cambiar una propiedad física diferente, como la presión mecánica o el campo magnético. Similar a las transiciones de fase clásicas, las transiciones de fase cuántica también están acompañadas por la presencia de "burbujas" de una fase en la otra. El término científico para estas burbujas esFluctuaciones cuánticas. A diferencia del caso clásico, donde un cambio en la temperatura es responsable de las burbujas, en el caso cuántico las burbujas surgen debido al principio de incertidumbre, que es una de las reglas básicas de la física cuántica. Este principio, desarrollado por el físico alemánWerner Heisenberg, afirma que, contrariamente a nuestra intuición, el vacío no está vacío sino que contiene cambios temporales en la cantidad de energía en un punto en el espacio.Estos cambios conducen a burbujas cuánticas de una fase en una segunda fase incluso a la temperatura cero absoluta.
Hasta ahora ha sido imposible tomar fotografías de estas fluctuaciones cuánticas. Ocurren a temperaturas muy bajas y muchas veces involucran fases físicas que no se pueden ver con un microscopio regular. Aunque la evidencia indirecta de su presencia aparece en muchas mediciones, nouno los ha visto realmente. Pero un grupo internacional dirigido por el Prof. Beena Kalisky y el Prof. Aviad Frydman, del Departamento de Física y el Instituto de Nanotecnología de la Universidad de Bar-Ilan en Israel, ha logrado obtener imágenes de las fluctuaciones cuánticas por primera vezEn su experimento, publicado hoy en Física de la naturaleza no solo se visualizaron las fluctuaciones cuánticas, sino que se extrajo nueva información sobre los tamaños, tiempos y distribuciones de eventos cuánticos.
Los investigadores emplearon un microscopio único que puede operar a temperaturas muy bajas para examinar un material que sufre una transición de fase cuántica. Este microscopio, llamado SQUID Dispositivo de interferencia cuántica superconductora, puede detectar señales magnéticas muy pequeñas y trazar un mapade su ubicación con resolución submicrométrica. El microscopio utiliza fenómenos cuánticos para convertir señales magnéticas en voltaje y es una herramienta ideal para investigar fenómenos complejos a escala nanométrica.
El experimento fue realizado por la estudiante de posgrado Anna Kremen que utilizó las mediciones magnéticas sensibles para identificar diferentes fases en el material. A temperaturas muy bajas, cercanas a cero, la muestra fue empujada hacia la región donde se espera un comportamiento cuántico, mientras se escaneaEl microscopio SQUID se usó para tomar fotografías. Sorprendentemente, las burbujas cuánticas aparecieron en ubicaciones aleatorias. Se encendieron y apagaron con el tiempo o aparecieron esporádicamente en diferentes lugares. Estamos acostumbrados a este comportamiento de las burbujas de aire en agua hirviendo, pero ahora también pueden aparecer burbujas similaresser visto en la materia cuántica.
Este experimento abre una puerta a investigaciones detalladas de eventos cuánticos. Las imágenes permiten la extracción de cantidades físicas como el tamaño, la dinámica, las distribuciones y las interacciones con otros fenómenos. Se espera que esta novedosa habilidad para observar las fluctuaciones cuánticas sea una herramienta fundamentalpara el desarrollo futuro de la tecnología cuántica.
La investigación fue apoyada por subvenciones del Consejo Europeo de Investigación, la Fundación de Ciencias de Israel y la Fundación Binacional de Ciencias Estados Unidos-Israel.
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Materiales proporcionados por Universidad de Bar-Ilan . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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