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

Inadvertidamente, las concreciones tecnológicas van incorporando novedades científicas materializadas en dispositivos, unas veces sin antecedente, y otras mejorando sustancialmente las prestaciones anteriormente ofertadas. A la pregunta ¿dónde están los dispositivos e instrumentos cuánticos?, se suele contestar con la computación cuántica, que se ha hecho popular, aun cuando ni es todo, ni lo más importante. La tecnología suele ser subrepticia, simplemente se incorpora y aporta ventajas.

Desde hace relativamente poco, se están incorporando los sensores cuánticos, basados en los principios de la Mecánica Cuántica, con resolución nanométrica y operando incluso a temperatura ambiente. A muy bajas temperaturas es donde se dan los procesos más ocultos e interesantes de descubrir y observar pero, no es menos cierto, que operar a temperatura ambiente es útil, al tiempo que un logro de la ingeniería, al ser capaz de soslayar las perturbaciones que supone el entorno en estas condiciones, lo que provoca la decoherencia, destruyendo el comportamiento cuántico de la materia, que es muy sensible a las perturbaciones.

Lo que aportan de forma singular los sensores cuánticos es la precisión de la respuesta, al operar entre niveles de energía que, cuando se trata de electrones, es sumamente pequeña. Es una escala inalcanzable por otras metodologías más convencionales y empleadas hasta ahora. Si se trata de la medida del tiempo, el reloj atómico implica al átomo del Cesio 133 y una oscilación entre estados electrónicos que corresponden a una transición que ocurre 9.192.631.770 veces por segundo y proporciona una precisión sin precedentes para medir el tiempo. Transiciones entre niveles de energía atómicos permiten identificar cambios en el movimiento o alteraciones mínimas en los campos magnéticos o eléctricos del entorno. La gravedad se puede ver afectada localmente, cosa que no apreciamos, pero sí lo puede detectar un átomo que modificará sus estados en función del campo magnético que le afecta. Se trata de que las alteraciones pueden ser debidas a elementos metálicos enterrados en un edificio o sumergidos en un depósito o acumulación de agua, como ocurre en los océanos que almacenan en su interior pecios de épocas pasadas, buscados y todavía por descubrir.

El avance es que, la baja temperatura soslaya los problemas de interacción del entorno y los efectos de las interacciones, por ejemplo, de los electrones, que son observables gracias a los sensores cuánticos que lo llevan a cabo con una resolución sin precedente. Uno de los desarrollos, llevados a cabo en la Universidad de California en Santa Bárbara, consiste en una especie de cepillo cuyas cerdas llevan una nanopunta de diamante que incluye un defecto, al incorporar un centro de nitrógeno vacante, que sustituye a un átomo de carbono, especialmente sensible para detectar propiedades magnéticas de los materiales. Esto le dota de una capacidad para obtener imágenes de materiales superconductores, desvelando las estructuras magnéticas denominadas vórtices, que localizan el flujo magnético y que con estos sensores es posible identificarlos individualmente. La metodología consiste en incorporar el defecto ocupado por el nitrógeno a una superposición cuántica que, como es sabido, supone que puede estar en un estado u otro simultáneamente y que desconocemos, pero al dejar evolucionar el sistema en presencia de un campo y medirlo posteriormente, la incertidumbre en la superposición permite que se lleve a cabo la medición

La cuestión de mayor interés es la temperatura a la que se llevan a cabo las observaciones. Hoy se ha logrado operar desde temperatura ambiente hasta 6º Kelvin, ya muy cerca del cero absoluto. Es un rango inalcanzable en otras alternativas de medida. Al operar con átomos, y necesitar tan solo uno, la medición no es invasiva, con lo que se puede considerar que el sistema no se altere.

Nuestros ordenadores utilizan la electricidad, tecnología del siglo XIX. La espintrónica, basada en el espín de los electrones, parece ser la revolución inmediata de la microelectrónica, como anticipó Feynman en la década de los 50 del siglo pasado. En 1988 Fert, describió las propiedades magnetoresistentes en multicapas metálicas, consecuencia de un desequilibrio entre el número de electrones con espín arriba y abajo. En 1994 estaba incorporada en la automoción y poco después en las cabezas lectoras de discos duros potenciando la capacidad de almacenamiento de la información. Ahora, el impulso puede venir de la mano de los sensores cuánticos, al posibilitar el control de la fuerza de las interacciones que compiten para generar los skyrmiones, que son partículas hipotéticas formadas, también, en películas magnéticas delgadas y en ciertos cristales líquidos. Poco a poco, sin descanso.