Esta es la discoteca más pequeña del mundo

Los físicos de Purdue crean una bola de discoteca mediante un nanodiamante levitado en el vacío para visualizar un fenómeno cuántico único

Los físicos de la Universidad de Purdue han organizado la fiesta de discoteca más pequeña del mundo. La propia bola de discoteca es un nanodiamante fluorescente que han hecho levitar y girar a velocidades increíblemente altas. El diamante fluorescente emite y dispersa luces multicolores en distintas direcciones mientras gira. La fiesta continúa, mientras los científicos estudian los efectos de la rotación rápida en los qubits de espín dentro de su sistema, y así son capaces de observar la fase Berry.

¿Cómo lo qué? Vayamos por partes.

El equipo de Purdue, dirigido por Tongcang Li, catedrático de Física y Astronomía e Ingeniería Eléctrica e Informática, publicó los resultados de su experimento discotequero en Nature Communications. Los revisores de la publicación describieron este trabajo como «posiblemente un momento pionero para el estudio de los sistemas cuánticos».

«Imaginemos diminutos diamantes flotando en un espacio vacío o vacío. Dentro de estos diamantes hay qubits de espín que los científicos pueden utilizar para realizar mediciones precisas y explorar la misteriosa relación entre la mecánica cuántica y la gravedad», explica Li. «En el pasado, los experimentos con estos diamantes flotantes tenían problemas para evitar su pérdida en el vacío y leer los qubits de spin. Sin embargo, en nuestro trabajo conseguimos hacer levitar un diamante en alto vacío utilizando una trampa de iones especial. Por primera vez, pudimos observar y controlar el comportamiento de los qubits de espín dentro del diamante levitado en alto vacío».

El equipo hizo girar los diamantes a una velocidad increíble: ¡hasta 1.200 millones de veces por minuto! Así pudieron observar cómo la rotación afectaba a los qubits de espín de esa forma única conocida como fase Berry. «Este avance nos ayuda a comprender y estudiar mejor el fascinante mundo de la física cuántica», afirma.

Cómo los qbits podrían explicar la gravedad

Los nanodiamantes fluorescentes, con un diámetro medio de unos 750 nm, unas cien veces más pequeño que el grosor de un cabello humano, se produjeron mediante síntesis a alta presión y alta temperatura. Estos diamantes se irradiaron con electrones de alta energía para crear qubits de espín en los electrones. Cuando se iluminaron con un láser verde, emitieron luz roja, que se utilizó para leer sus estados de espín electrónico. Otro láser infrarrojo iluminó el nanodiamante levitado para controlar su rotación. Al igual que una bola de discoteca, a medida que el nanodiamante giraba, la dirección de la luz infrarroja dispersa cambiaba, transmitiendo la información de rotación del nanodiamante.

«Para el diseño de nuestra trampa de iones», explica Jin, »utilizamos un software comercial, COMSOL Multiphysics, para realizar simulaciones en 3D. La trampa de iones de superficie se fabrica en una oblea de zafiro mediante fotolitografía. Se deposita una capa de oro de 300 nm de grosor sobre la oblea de zafiro para crear los electrodos de la trampa de iones de superficie».

Entonces, ¿hacia dónde giran los diamantes y se puede manipular su velocidad o dirección? Shen dice que sí, que pueden ajustar la dirección de giro y la levitación. «Podemos ajustar el voltaje de accionamiento para cambiar la dirección de giro», explica. «El diamante levitado puede girar alrededor del eje z, como se muestra en el esquema, en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario, dependiendo de nuestra señal de conducción. Si no aplicamos la señal impulsora, el diamante girará omnidireccionalmente, como un ovillo».

Los nanodiamantes levitados con qubits de espín incrustados se han propuesto para mediciones de precisión y para crear grandes superposiciones cuánticas que pongan a prueba el límite de la mecánica cuántica y la naturaleza cuántica de la gravedad.

«La relatividad general y la mecánica cuántica son dos de los avances científicos más importantes del siglo XX. Sin embargo, aún no sabemos cómo podría cuantificarse la gravedad», afirma Li. Lograr la capacidad de estudiar experimentalmente la gravedad cuántica sería un avance tremendo». Además, los diamantes giratorios con qubits de espín incrustados proporcionan una plataforma para estudiar el acoplamiento entre el movimiento mecánico y los espines cuánticos».

Este descubrimiento podría tener un efecto dominó en las aplicaciones industriales. Li afirma que las micro y nanopartículas levitadas en el vacío pueden servir como excelentes acelerómetros y sensores de campo eléctrico. Por ejemplo, el Laboratorio de Investigación de las Fuerzas Aéreas de Estados Unidos (AFRL) está utilizando nanopartículas levitadas ópticamente para desarrollar soluciones a problemas críticos de navegación y comunicación.

«En la Universidad de Purdue contamos con instalaciones de vanguardia para nuestra investigación en optomecánica levitada», explica Li. «Tenemos dos sistemas especializados de construcción propia dedicados a esta área de estudio. Además, tenemos acceso a las instalaciones compartidas del Centro de Nanotecnología Birck, lo que nos permite fabricar y caracterizar la trampa de iones de superficie integrada en el campus. También tenemos la suerte de contar con estudiantes y postdoctorales de talento capaces de llevar a cabo investigaciones punteras. Además, mi grupo lleva diez años trabajando en este campo, y nuestra amplia experiencia nos ha permitido avanzar rápidamente».

REFERENCIA

Foto: El profesor Tongcang Li (izquierda), el doctor Yuanbin Jin (centro) y Kunhong Shen realizan experimentos con diamantes fluorescentes levitados y giratorios en la Universidad de Purdue. Fotografía de Charles Jischke.