ATOMTRÓNICA por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico de número

En 1923 el joven aristócrata Louis De Broglie hizo una audaz propuesta en el marco de la Cuántica, cuando ésta apenas iniciaba su andadura en el universo científico. Convulsionó los cimientos de los más conservadores que apenas aceptaban la dualidad de la luz, como una onda clásica, ya tradicionalmente aceptada, desde la propuesta de Maxwell y la propuesta de Einstein como partícula, fotón, introducido al explicar el efecto fotoeléctrico, lo que le valió el Nobel en 1921. Este año celebramos el reconocimiento tardío e insuficiente conceptualmente, tras haber aportado la teoría de la relatividad al mundo científico.

De Broglie pensó lo contrario, Las partículas, los objetos llevan asociada una onda, en un alarde reflexivo reflejado en un documento que ha puesto en circulación Juan Arnau el 24 sept 2021, al que accedí gracias al Dr. Hernández Córdoba. La trascendencia era notable, por cuanto el problema de lo Uno y los múltiple había acosado a la filosofía y a la teología mucho tiempo, pero ahora aparecía en la física en forma de lo continuo y lo discreto o discontinuo. Ahora se trataba de que ambas posiciones podían ser complementarias y no contrarias. Todas las culturas exhiben esa polaridad, desde la India con la plenitud y el vacío, hasta nuestro mundo actual en que puede cifrarse una corriente que sintoniza mejor con el vacío que con la plenitud, dado que todos está colmado de cosas y reclamamos, casi de forma instintiva limpiar, apostar por lo diáfano y todo parece indicar que cuando eso se de buscaremos la plenitud, el continuo. Por eso nuestro tiempo es cuántico, discreto, vacío donde luz y materia se distancian y caminan de forma independiente. No obstante, se trata de una percepción aparente, por cuanto el diálogo entre luz y materia es permanente, aunque resulte complicado detectarlo. De Broglie recibió el Premio Nobel en 1929, por su aportación consistente en combinar la cuantización de Planck con la ecuación de Einstein y lograr asociar la longitud de onda con la velocidad de la partícula.

La aportación de Broglie fue sustancial para el desarrollo de la Mecánica Cuántica. La materia en su intimidad era inexplicable con los conceptos de espacio y tiempo que formula la Mecánica Clásica. La materia a la vista de las aportaciones se comporta de forma análoga a si estuviera viva, “respira luz” y se comporta de forma impredecible y espontáneamente. Bergson, al que de Broglie le dedicó mucha atención postuló que la naturaleza aparece en cada instante vacilando entre opciones. El tiempo resulta ser duda y llega a decir Bergson que, si no es así, no es nada. Los efectos son una de entre las posibilidades que proporcionan las causas, pero no están determinadas por éstas, como establece el determinismo, que consagrara Laplace. Hay que descubrirse que ante una Mecánica Cuántica incipiente, el debate alcanzara la profundidad que logró. Muchas de las cuestiones epistemológicas permanecen sin resolver y en estado latente en nuestros días. Resulta curioso destacar que tras una vida en búsquedad de elementos que apuntalaran la nueva mecánica, al final de su vida se retractó, regresando al determinismo de Descartes, del que en otro tiempo abominó. Hoy vería como toda su intuición se corroboró, por fantásticas que pudieran parecer sus intuiciones.

Un campo emergente en el ámbito de la física atómica ultra fría, abarcando las ondas de materia atómica quiadas se ha venido en denominar atomtrónica. Es un acróstico compuesto de “átomo” y “electrónica” y la analogía se establece en base a la pretensión de crear los componentes electrónicos, desde los semiconductores hasta diodos, pero a nivel atómico y con las ampliaciones propias del nivel de desarrollo. Por citar un caso, un condensado de Bose Einstein confinado en una red lineal que se somete a una variación abrupta de la densidad de partículas exhibe un comportamiento muy similar a la de un diodo electrónico.

Los componentes para la construcción de circuitos atomtrónicos son ahora tres: un condensado de Bose-Einstein, capaz de aportar las propiedades de coherencia y de superfluido, o en casos un gas de Fermi ultrafrío.  Un segundo componente es disponer de potencial de captura específico, generado de forma óptica, magnética o ambas. El tercer elemento es un mecanismo para impulsar movimiento , para lo que hay varias opciones, desde una trampa en forma de anillo seccionada en dos por dos barreras móviles que, separadas del anillo y que actúan de drenaje y fuente y las barreras son puertas. Al moverse las barreras los átomos fluyen pasando de la fuente al drenaje. Las ondas de materia se guían a través del anillo, manteniendo la coherencia, alcanzando distancias en torno a los 50 centímetros.

Las aplicaciones, hoy, se concentran en la computación cuántica, simulación, comunicaciones, detección. La dificultad principal radica en la creación y manipulación de los condensados de Bose-Einstein, de difícil transporte y mantenimiento. Lo último que se ha logrado en los siatemas físicos desde sistemas atómicos y de espín a átomos artificiales en forma de circuitos superconductores. Los sistemas de átomos fríos han permitido lograr una colección de redes generadas mediante láser o magnéticamente y guiados de forma que las ondas de materia atómicas se controlan y manipulan coherentemente.

La atomtrónica logra crear circuitos de átomos ultrafríos, muy prometedores en la tecnología cuántica. Al manejar ondas de materia de átomos neutros, las interacciones del circuito con el medio ambiente que darían lugar a la pérdida de coherencia, se minimizan con respecto a las propias de los fluidos cargados eléctricamente en que operan las fuerzas de Coulomb. Por otro lado, una ventaja adicional deriva de que las redes atomtrónicas dan lugar a nuevos tipos de circuitos cuyos portadores responden a estadísticas bosónicas o fermiónicas, de forma que las interacciones partícula-partícula son sintonizables y encajan desde las de corto rango a grandes distancias y de las atractivas a las repulsivas. En tercer lugar, los desarrollos recientes en la manipulación de los potenciales guía ópticos permiten desarrollar circuitos con topologías que pueden reconfigurarse al mismo tiempo que se operan.

Un detalle de interés es reparar en que al estar basada la atomtrónica en potenciales flexibles y no estar limitados por las propiedades materiales, es factible crear dispositivos cuánticos y simuladores con nuevas arquitecturas y funcionalidades que no tienen por qué estar sujetas a las que ofrece la electrónica convencional. La naturaleza cuántica de los átomos ultrafríos como ondas de materia coherentes, posibilita medidas de precisión interferométrica y aplicaciones en el procesado cuántico de la información y servir de sondas en regímenes de muchos cuerpos permitiendo observar los cambios en los flujos, ocasionados por aplicaciones de campos externos, por ejemplo. En el fondo esto supone que se pueden considerar como extensiones de los simuladores cuánticos convencionales.

Cabe pensar en la integración entre la circuitería basada en silicio y las propuestas atomtrónicas, llegando a chips que las reúnan de forma compatible. La interferometría y la detección inercial pueden verse beneficiadas en tiempo próximo. No obstante, la simulación y computación cuánticas y otras modalidades de tecnología cuántica podrán ser accesibles estabilizando la coherencia atómica y encajándola en escalas espaciales entre pequeñas e intermedias, lo que requiere la suavización de los guíaondas. El futuro se abre esplendoroso en muchos frentes, desde la atención a la dinámica de sistemas de muchos cuerpos, accesibles especialmente en arquitecturas cerradas, que son los circuitos atomtrónicos más simples y excelentes plataformas para estudiar el flujo de qubits. Se abre una nueva perspectiva para los sensores y dispositivos atomtrónicos. Las limitaciones de la coherencia cuántica macroscópica establecen una barrera para la que se requieren propuestas audaces, que afectan al transporte tanto en circuitos bosónicos como fermiónicos. Un campo científico que promete un desarrollo tecnológico excelente. El español José Ignacio Latorre es un adelantado de un campo del que se esperan grandes contribuciones.