Los materiales en estado cuántico tienen propiedades exóticas que modifican las leyes de la física y ofrecen un enorme potencial a los científicos, pero normalmente también son increíblemente delicados y requieren temperaturas ultrabajas para existir y funcionar.
Esto presenta un problema a la hora de aprovechar al máximo estos materiales y sus características: hay que sacarlos de los grandes frigoríficos de los laboratorios.
Ahora estamos un paso más hacia que eso sea posible.
Investigadores de la Universidad Estatal de Luisiana han desarrollado un material que puede demostrar rarezas cuánticas a temperatura ambiente. Está hecho de una fina película de oro sobre un trozo de vidrio, tallado con patrones microscópicos.
Se ha publicado un artículo sobre el trabajo en Nature.
Es crucial para el funcionamiento a temperatura ambiente del nuevo material la forma en que cambia el foco de los electrones y átomos a los fotones (partículas de luz). Esto supera la habitual alteración a nivel atómico que trae consigo el calor.
El material es lo que se conoce como metacristal plasmónico: “plasmónico” porque la luz que viaja sobre él produce ondas de electrones conocidas como plasmones, y “metacristal” porque es un cristal creado artificialmente.
Los pequeños patrones de hendiduras grabados en el material actúan como átomos artificiales (metaátomos), que dictan cómo pasan los diferentes grupos de fotones (el comportamiento cuántico).
“Al diseñar la distribución de los metaátomos en el metacristal plasmónico, podemos determinar sistemáticamente qué estadísticas cuánticas pueden atravesar la estructura”, dice el físico Riley Dawkins.
“Así pues, nuestro cristal actúa esencialmente como un filtro estadístico sobre los estados cuánticos”.
Eso significa que cuando la luz ingresa al chip y viaja a través de la superficie del oro, es manipulada por los metaátomos y, al ajustar el tamaño, la forma y el espaciado de las rendijas, se pueden producir diferentes resultados finales a nivel cuántico.
En la práctica, esto significa que ciertos estados cuánticos de la luz pueden transportarse con menos perturbaciones.
“A esto lo llamamos transporte robusto. Estos estados cuánticos transportan información”, dice el físico Omar Magaña-Loaiza.
“Nuestro cristal puede distinguirlos y moverlos de un punto a otro de forma robusta sin necesidad de refrigeración criogénica. Eso es lo que abre la puerta a tecnologías cuánticas prácticas”.
Esto podría utilizarse, por ejemplo, para transferir información cuántica de forma fiable y sin temperaturas ultrafrías. Este es en gran medida un descubrimiento temprano, una prueba de concepto, pero muestra que la ciencia fundamental es sólida.
“Una de las partes más emocionantes de este proyecto fue darnos cuenta de que podíamos construir un material que hiciera algo que la naturaleza por sí sola no proporciona”, dice el físico Chenglong You.
“Verlo funcionar exactamente como predijimos fue increíblemente gratificante”.
Los investigadores afirman que los métodos utilizados aquí se pueden ampliar más allá de este único material. Su estudio actúa como un modelo que otros equipos pueden seguir, ajustando el tamaño y el espaciado de las rendijas según sea necesario para modificar las propiedades del cristal y cómo se procesa la luz.
La luz es en sí misma cuántica: los diferentes tipos de luz (desde la luz láser hasta la luz ultravioleta) tienen diferentes propiedades. Si bien el comportamiento del material cuántico a temperatura ambiente se ha visto antes, esta es la primera demostración del mismo en un chip avanzado de clasificación de luz como este.
En términos más generales, el comportamiento poco convencional de los materiales cuánticos promete ser útil en informática, comunicaciones (incluida la Internet cuántica) y energía (para recolectar más energía de la luz solar a través de paneles solares, por ejemplo).
El ángulo de la célula solar es el que los investigadores planean investigar a continuación, utilizando su nuevo metacristal plasmónico para guiar mejor la luz entrante y perder menos calor.
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“Para mí esto no fue sólo un proyecto, sino un esfuerzo colectivo construido en torno a la idea de crear algo completamente nuevo en tecnología cuántica”, dice el físico Jannatul Ferdous.
“Lo que lo hizo realmente emocionante fue que no sólo estábamos creando una nueva clase de material cuántico a temperatura ambiente, sino también desarrollando la teoría para comprender y controlar su comportamiento”.
La investigación ha sido publicada en Nature.
Este artículo fue verificado por Rebecca Dyer y editado por Michael Irving. Si bien nos enorgullecemos de nuestro proceso, somos humanos. Si detecta un error, háganoslo saber.