Físicos capturan dos átomos ‘hablando’ entre sí

Un equipo de físicos de los Países Bajos y Alemania colocó recientemente un grupo de átomos de titanio bajo un microscopio de efecto túnel.

Esos átomos estaban en constante y silenciosa interacción entre sí a través de las direcciones de sus giros.

En una hazaña inteligente, los investigadores pudieron ubicarse en un solo par de átomos, conectando uno con una corriente eléctrica para cambiar su giro.

Luego midieron la reacción de su compañero.

Cuando dos átomos tienen espines que son interdependientes, se consideran entrelazados cuánticamente.

Ese entrelazamiento significa que el comportamiento de un átomo tiene un impacto directo sobre el otro, y la teoría dice que esto debería seguir siendo cierto incluso cuando están separados por grandes distancias.

En este caso, los átomos de titanio estaban separados por un poco más de un nanómetro (una millonésima de milímetro), lo suficientemente cerca para que las dos partículas interactuaran entre sí, pero lo suficientemente lejos como para que los instrumentos del equipo pudieran detectar la interacción.

“El hallazgo principal es que hemos podido observar cómo los espines atómicos se comportan con el tiempo como resultado de su interacción mutua“, dijo el coautor Sander Otte, físico cuántico del Instituto Kavli de Nanociencia de la Universidad Tecnológica de Delft en Los Países Bajos.

Otte explicó que los científicos anteriormente habían podido medir la fuerza de varios espines atómicos y la influencia de esa fuerza en el nivel de energía del átomo.

Pero este experimento les permitió observar esa interacción a lo largo del tiempo.

Una gran esperanza de la física experimental es que algún día los investigadores podrán simular interacciones cuánticas a voluntad, ajustando un sistema cuántico como mejor les parezca y observando cómo se desarrolla la mecánica cuántica.

Los investigadores, en efecto, hicieron eso, desencadenando una acción específica en un átomo y observando cómo reaccionaba el átomo de al lado.

“Esta es una demostración muy agradable de un ‘simulador cuántico’ muy simple”, dijo Ella Lachman, física cuántica de UC Berkeley que no participó en el nuevo estudio.

“Al controlar las posiciones de los átomos, teóricamente podemos construir una réplica de una red o cualquier sistema del que queramos estudiar la dinámica“.

El equipo eligió trabajar con átomos de titanio porque tienen la menor cantidad de opciones posibles para su giro, ya sea hacia arriba o hacia abajo.

Los átomos de titanio se unieron a una superficie de óxido de magnesio, manteniéndolos en su lugar para su inspección.

Atascados en esa superficie, que se mantuvo casi en el vacío a solo 1 grado Kelvin, los físicos podrían seleccionar individualmente los átomos bajo la punta del microscopio.

Luego, podrían revertir los giros del átomo golpeando un átomo de un par con un pulso eléctrico, lo que provocó una reacción inmediata por parte de su vecino.

Estas reacciones son predecibles, dijo Otte, a través de las leyes de la mecánica cuántica.

El proceso completo tomó alrededor de 15 nanosegundos, o 15 mil millonésimas de segundo. Su investigación se publicó en Science.

Hay otras formas de leer el mundo cuántico.

Los científicos pueden conjurar interacciones entre átomos alterando el espín de uno, pero esa intercomunicación ocurre tan rápido que los medios típicos de observación, como la técnica de resonancia de espín, no pueden captarla.

Los investigadores cuánticos a menudo usan pulsos de microondas para hacer que los átomos cambien de estado u observar la mecánica cuántica, pero este enfoque de pulso eléctrico le dio al equipo la capacidad de sentir las interacciones más diminutas.

Métodos como la técnica de resonancia de espín son “simplemente demasiado lentos“, dijo Lukas Veldman, físico cuántico del Instituto Kavli de Nanociencia de la Universidad Tecnológica de Delft, en un comunicado de Delft.

“Apenas has comenzado a girar un espín antes de que el otro comience a girar.

De esta manera, nunca podrá investigar qué sucede al colocar los dos espines en direcciones opuestas“.

La verdadera magia de esta línea de investigación aún está por llegar, dijo Otte.

Si bien esta detección mapeó el rebote de espines entre dos átomos, la situación se vuelve mucho más compleja con cada átomo que agrega a la ecuación.

Se podría pensar en un juego de teléfono en el que los participantes puedan transmitir el mensaje y susurrarlo de la misma forma en que llegó.

Los mensajes provenientes de diferentes direcciones comenzarían a cruzarse, distorsionando los comunicados.

“Como siempre, los modelos de juguetes son agradables, pero una vez que les agregamos la complejidad que realmente nos interesa, las preguntas sobre las medidas y las interpretaciones de ellos se vuelven más complicadas”, dijo Lachman.

“¿Pueden hacer el mismo experimento con tres átomos mientras solo miden uno?

Probablemente sí, pero la interpretación de la medida se vuelve más complicada. ¿Qué tal diez átomos? ¿Veinte?

El tiempo y el ingenio dirán si esta es una demostración experimental genial de un modelo de juguete o algo más profundo. El potencial está ahí “.

Otte también enfatizó los desafíos alucinantes de ir más allá de un simple sistema de dos átomos.

“Si aumentamos a 20 espines, mi computadora portátil ya no podría calcular lo que sucede.

A los 50 espines, las mejores supercomputadoras del mundo se rinden, y así sucesivamente”, dijo Otte.

“Si alguna vez queremos entender con precisión cómo se produce el comportamiento complejo de ciertos materiales (un ejemplo excelente es la superconductividad), tendríamos que ‘construir’ materiales desde cero y ver cómo se desarrollan las leyes de la física al aumentar de 10 a 100 a 1.000 átomos”.

La superconductividad se refiere a materiales que pueden transmitir electricidad con resistencia cero, algo que solo es posible por ahora a temperaturas muy frías.

Es por eso que el desarrollo de un superconductor a temperatura ambiente es un santo grial de la física. Cambiaría completamente el mundo.

En lugar de escuchar un átomo de corazón a corazón, los investigadores eventualmente podrían escuchar el murmullo de las conversaciones cuánticas con muchos átomos mientras se mueven de un lado a otro.

Necesitaremos mejores computadoras para tales dilemas, por supuesto, pero incluso las interacciones más pequeñas tienen su propia importancia íntima, como iniciadores de una conversación más grande.

Fuente: Gizmodo