Física Aplicada
Esta observación del inframundo cuántico permitirá velocidades de procesamiento mil millones de veces más rápidas que las de los ordenadores actuales
Eduardo Martínez de la Fe
Los científicos han desarrollado el primer cronómetro de attosegundos, que es el tiempo que tarda la luz en recorrer el diámetro de un átomo. Mide la dinámica de los electrones con una resolución sin precedentes, abriendo así una puerta insospechada al inframundo cuántico.
Científicos de las universidades de Ratisbona (Alemania) y Michigan (USA) han desarrollado un cronómetro de attosegundos que mide la dinámica de los electrones (los portadores de carga más pequeños posibles) cuando se mueven a través de los sólidos, según informan en un artículo publicado en la revista Nature.
Debido a la diminuta masa de los electrones, los procesos significativos que viven estas partículas conformando la materia tienen lugar con una rapidez inimaginable y siguen las fascinantes leyes de la física cuántica, en lugar de las leyes de la mecánica clásica.
El cronómetro de attosegundos ha podido rastrear por primera vez el movimiento ultrarrápido de los electrones libres en los sólidos con la asombrosa precisión de hasta 300 attosegundos.
Esta resolución temporal es suficiente para estudiar los cambios más pequeños que ocurren en la dinámica de los electrones. Los datos de medición no solo muestran qué interacciones han tenido lugar, sino también cómo han ocurrido.
EFECTOS CUÁNTICOS
Un attosegundo corresponde a una millonésima de billonésima de segundo (0.000 000 000 000 000 001 segundos). La relación entre un attosegundo y un segundo es similar a la proporción que existe entre un segundo y la edad del Universo (unos quince mil millones de años). Incluso la luz solo puede recorrer en un attosegundo una distancia del orden del diámetro de un átomo.
"En la escala de tiempo de attosegundos, los efectos de interacción ya no pueden ser explicados por las leyes de la física clásica; en cambio, son de naturaleza puramente mecánica cuántica. El seguimiento directo en el dominio del tiempo de cómo afectan esas interacciones al movimiento de los electrones es inmensamente útil para probar las últimas teorías cuánticas", explica Mackillo Kira, de la Universidad de Michigan, autor principal de esta investigación, en un comunicado.
"Durante mucho tiempo, la comunidad de física del estado sólido solía creer que la escala de tiempo de femtosegundos, mucho más lenta, era suficiente para describir la dinámica de electrones relevante para el estado sólido; nuestros resultados refutan claramente esta hipótesis", añade Rupert Huber, de la Universidad de Ratisbona.
COMPUTACIÓN CUÁNTICA
Y añade: "Nuestro cronómetro de attosegundos puede ayudar a comprender mejor las correlaciones entre muchos cuerpos en los materiales cuánticos modernos y establecer nuevas tendencias para el futuro procesamiento de la información cuántica".
Los investigadores explican al respecto que los materiales cuánticos pueden poseer fases magnéticas, superconductoras o superfluidas robustas, y que la computación cuántica representa el potencial para resolver problemas que llevarían demasiado tiempo en las computadoras clásicas.
Impulsar tales capacidades cuánticas creará soluciones a problemas que actualmente están fuera de nuestro alcance y desbloqueará la computación cuántica, llevándola al siguiente nivel, añaden.
Sin embargo, alcanzar esa capacidad cuántica requiere ciencia observacional básica como la realizada en esta nueva esta investigación, que ya tendrá aplicaciones prácticas en electrónica, optoelectrónica y tecnologías cuánticas.
Un ejemplo: el attocronómetro podría permitir velocidades de procesamiento entre un millón y mil millones de veces más rápidas que las computadoras actuales, aseguran los investigadores.
¿CÓMO FUNCIONA EL ATTOCRONÓMETRO?
La base de este "cronómetro de attosegundos" son pequeñas plaquetas de un material semiconductor cristalino llamado diseleniuro de tungsteno. Esas plaquetas de semiconductores están expuestas a dos tipos diferentes de radiación electromagnética: una en el infrarrojo cercano y otra en el rango de los terahercios, explican los investigadores.
El primer pulso de haz excita los electrones en el material y los desplaza de sus posiciones, creando electrones libres erráticos con carga positiva. El siguiente campo de terahercios acelera los demás electrones en una dirección aleatoria.
Sin embargo, este segundo campo se invierte en algún momento, lo que hace que esos electrones también se inviertan y choquen con sus agujeros de procedencia. Esta "recombinación" de las cargas libera una radiación de frecuencias específicas.
NÍTIDO INFRAMUNDO CUÁNTICO
Al medir el tiempo entre la excitación, el pulso de terahercios y la emisión de radiación, los físicos pueden comprender cuánto se han movido los electrones y en qué interacciones han entrado.
Nunca se había alcanzado esta resolución en el estudio en directo de los electrones desde que el Premio Nobel de Física en 1952, Felix Bloch, estableciera su teoría cuántica de sólidos.
Bloch describía los electrones como ondas periódicas para explicar la conductividad eléctrica desde la mecánica cuántica. Esas ondas son las que ahora hemos podido medir a una escala de attosegundos, abriendo así una nueva puerta insospechada al inframundo cuántico.
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REFERENCIA
Attosecond clocking of correlations between Bloch electrons. J. Freudenstein et al. Nature volume 610, pages290–295 (2022). DOI :https://doi.org/10.1038/s41586-022-05190-2
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