Sensor cuántico para el mundo atómico
Potencial innovador
En un gran avance científico, un equipo internacional de investigación del Forschungszentrum Jülich de Alemania y el IBS Center for Quantum Nanoscience (QNS) de Corea han desarrollado un sensor cuántico capaz de detectar campos magnéticos diminutos a escala atómica. Este trabajo pionero hace realidad un sueño largamente acariciado por los científicos: una herramienta similar a la resonancia magnética para materiales cuánticos.
El equipo de investigación utilizó la experiencia del grupo Jülich en la fabricación ascendente de moléculas individuales y llevó a cabo experimentos en el QNS, utilizando la instrumentación puntera y los conocimientos metodológicos del equipo coreano, para desarrollar el primer sensor cuántico del mundo para el mundo atómico.
El diámetro de un átomo es un millón de veces menor que el grosor de un cabello humano. Esto dificulta enormemente la visualización y medición precisa de magnitudes físicas como los campos eléctricos y magnéticos que emergen de los átomos. Para detectar campos tan débiles procedentes de un solo átomo, la herramienta de observación debe ser muy sensible y tan pequeña como los propios átomos.
Un sensor cuántico es una tecnología que utiliza fenómenos mecánicos cuánticos como el espín de un electrón o el entrelazamiento de estados cuánticos para realizar mediciones precisas. En los últimos años se han desarrollado varios tipos de sensores cuánticos. Aunque muchos sensores cuánticos son capaces de detectar campos eléctricos y magnéticos, se creía que no se podía dominar simultáneamente la resolución espacial a escala atómica.
Un nuevo enfoque para mejorar la resolución
El éxito del nuevo sensor cuántico a escala atómica radica en el uso de una sola molécula. Se trata de una forma de detección conceptualmente diferente, ya que la función de la mayoría de los demás sensores se basa en un defecto -una imperfección- de una red cristalina. Dado que estos defectos sólo desarrollan sus propiedades cuando están profundamente incrustados en el material, el defecto -capaz de detectar campos eléctricos y magnéticos- permanecerá siempre a una distancia bastante grande del objeto, lo que le impide ver el objeto real a escala de átomos individuales.
El equipo de investigadores cambió el enfoque y desarrolló una herramienta que utiliza una sola molécula para detectar las propiedades eléctricas y magnéticas de los átomos, que se fija a la punta del microscopio de barrido en túnel y puede situarse a unas pocas distancias atómicas del objeto real.
El Dr. Taner Esat, autor principal del equipo de Jülich, expresó su entusiasmo por las posibles aplicaciones: "Este sensor cuántico cambia las reglas del juego, porque proporciona imágenes de materiales tan ricas como una resonancia magnética y, al mismo tiempo, establece un nuevo estándar de resolución espacial en sensores cuánticos. Esto nos permitirá explorar y comprender los materiales en su nivel más fundamental". La colaboración a largo plazo dependía de que el Dr. Esat, anteriormente postdoctorado en el QNS, regresara a Jülich, donde concibió esta molécula sensora. Decidió volver al QNS para una estancia de investigación con el fin de probar esta técnica utilizando los instrumentos de vanguardia del centro.
El sensor tiene una resolución energética que permite detectar cambios en los campos magnéticos y eléctricos con una resolución espacial del orden de una décima de angstrom, donde 1 Ångström corresponde típicamente a un diámetro atómico. Además, el sensor cuántico puede construirse e implantarse en laboratorios existentes en todo el mundo.
El sensor tiene una resolución energética que permite detectar cambios en los campos magnéticos y eléctricos con una resolución espacial del orden de una décima de angstrom, donde 1 Ångström corresponde típicamente a un diámetro atómico. Además, el sensor cuántico puede construirse e implantarse en laboratorios existentes en todo el mundo.
"Lo que hace que este logro sea tan sorprendente es que utilizamos un objeto cuántico exquisitamente diseñado para resolver propiedades atómicas fundamentales desde la base. Las técnicas anteriores de visualización de materiales utilizan sondas grandes y voluminosas para tratar de analizar características atómicas diminutas", subraya el Dr. Dimitry Borodin, autor principal del QNS. "Hay que ser pequeño para ver pequeño".
Este innovador sensor cuántico está a punto de abrir vías transformadoras para la ingeniería de materiales y dispositivos cuánticos, el diseño de nuevos catalizadores y la exploración del comportamiento cuántico fundamental de los sistemas moleculares, como en bioquímica.
Potencial revolucionario
Como señaló Yujeong Bae, IP del QNS para el proyecto, "la revolución en las herramientas de observación y estudio de la materia surge de la ciencia básica acumulada. Como dijo Richard Feynman, 'Hay mucho espacio en el fondo', el potencial de la tecnología para manipular a nivel atómico es infinito". Y el profesor Temirov, jefe del grupo de investigación en Jülich, añade: "Es emocionante ver cómo nuestro largo trabajo en manipulación molecular ha dado lugar a la construcción de un dispositivo cuántico récord".
Los resultados de la investigación se han publicado en Nature Nanotechnology. El desarrollo de este sensor cuántico a escala atómica marca un hito importante en el campo de la tecnología cuántica y se espera que tenga implicaciones de gran alcance en diversas disciplinas científicas.
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