Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft, en los Países Bajos, han logrado un avance sin precedentes en el campo de la física cuántica, al observar en tiempo real el estado magnético de un átomo individual de titanio. Lo que hasta ahora parecía sacado directamente de una novela de ciencia ficción ha tomado forma en los laboratorios reales, donde científicos han podido «escuchar» el «latido cuántico» de un solo átomo, permitiendo leer directamente su espín nuclear, un hito publicado en la prestigiosa revista Nature Communications. Esta innovadora técnica no solo demuestra la capacidad de captar el comportamiento de átomos individuales, sino que establece nuevas posibilidades para el desarrollo de tecnologías cuánticas avanzadas, así como aplicaciones en computación cuántica y sensores ultrapasivos.
El espín nuclear, una propiedad cuántica relacionada con el magnetismo interno de las partículas subatómicas, había evadido la observación en tiempo real hasta este experimento. En contraste con los espines electrónicos, que ya habían sido estudiados en detalle, el espín del núcleo se ve afectado por su mayor aislamiento del entorno. El equipo de Delft superó este desafío al combinar microscopía de efecto túnel (STM) con resonancia de espín electrónico (ESR), logrando así una lectura indirecta de la interacción entre los espines. Esta técnica les permitió monitorizar el espín nuclear en un único evento, capturando su estado con una fidelidad de lectura impresionante de hasta un 98% durante más de cinco segundos, lo que representa un tiempo largo dentro del contexto cuántico.
Durante el experimento, un momento clave fue cuando los investigadores observaron un cambio brusco en la señal eléctrica de un átomo de titanio, lo que indicaba un cambio en el estado del espín nuclear. Este hallazgo les permitió realizar una «lectura única» del estado nuclear. La estabilidad del espín nuclear durante periodos prolongados resalta su potencial para su uso en tecnologías cuánticas. A diferencia del espín electrónico, que tiene una duración corta de solo 100 nanosegundos, la robustez del espín nuclear abre nuevas puertas en el diseño de cúbits más estables y eficientes, cruciales para el desarrollo de computadoras cuánticas.
El experimento se llevó a cabo sobre átomos individuales de titanio sobre una delgada capa de óxido de magnesio, específicamente utilizando el isótopo 49Ti, que presenta un espín nuclear de I = 7/2, permitiendo así múltiples estados cuánticos. Los investigadores aplicaron impulsos eléctricos y señales de radiofrecuencia para medir el tiempo de relajación del espín nuclear, logrando un récord de 5,3 segundos en el tiempo de vida del espín. Además, se exploraron las respuestas del espín nuclear a diferentes condiciones, proporcionando nuevos conocimientos sobre cómo interactúa en diversos entornos, lo que podría permitir un control sin precedentes en el campo de la nanotecnología cuántica.
Las implicaciones de este avanzado control del espín nuclear son significativas. No se limita a la observación de un solo átomo, sino que puede revolucionar el diseño de sensores magnéticos de gran precisión o incluso permitir la creación de sistemas más complejos donde múltiples núcleos atómicos interactúan. Los autores del estudio sugieren que la metodología se puede extender a otros sistemas atómicos y moleculares, prometiendo un futuro brillante para la investigación en tecnologías cuánticas. En este sentido, la posibilidad de manipular el núcleo atómico puede cambiar radicalmente nuestro entendimiento y control de la materia a la escala más fundamental.
