Los materiales fuertemente correlacionados viven de fluctuaciones: los espines, las cargas y las corrientes respiran de forma coordinada en escalas que van de los átomos a las micras. La dispersión de neutrones y de rayos X ve los detalles atómicos, pero promedia sobre un volumen grande y no alcanza los movimientos lentos de onda larga, donde nacen las fases. Los centros NV de diamante ya saben escuchar el ruido magnético en un solo punto, y trabajos recientes han aprendido a medir correlaciones entre dos puntos. Sin embargo, no existía una imagen completa en el espacio de momentos: los pares fijos de sensores solo dan muestras dispersas. Este trabajo se sitúa junto a experimentos recientes de lectura en paralelo de muchos centros NV, pero va más allá, al reunir todo el paisaje de correlaciones de una vez.
Sobre una placa de diamante con una capa densa de centros NV a 10 nanómetros de la superficie se coloca el material que se quiere estudiar. Una cámara de campo amplio con resolución de difracción de 250 nanómetros registra la fluorescencia de cada píxel, y la conversión espín-carga reduce drásticamente el ruido de lectura. Una secuencia XY8 con desacoplamiento dinámico sintoniza los sensores a la frecuencia deseada. Para cada par de píxeles se calcula la correlación de Pearson y, después, la transformada de Fourier sobre todas las separaciones da la densidad espectral del ruido magnético en el espacio de momentos. Para asomarse más allá del límite de difracción se usa un microscopio confocal con un haz láser anular: quema los centros NV en un anillo y deja un punto gaussiano de hasta 100 nanómetros de diámetro, cuyo tamaño ajusta de forma continua el filtro en momentos.
El método reprodujo la imagen esperada para un ruido globalmente correlacionado: un pico en momento cero con una anchura inversa al campo de visión. Luego se puso a prueba con una matriz de hilos paralelos de 1 micra de ancho y 2 micras de periodo. En el espectro diferencial aparecieron dos picos marcados en un momento de aproximadamente 2π×0.5 micras inversas, que corresponden exactamente a la periodicidad de los hilos. El esquema de campo amplio distingue con solidez escalas espaciales de 0.25 a 4 micras, mientras que el subdifractivo llega hasta 100 nanómetros. La sensibilidad del conjunto disminuye al aumentar el momento, pero sigue siendo competitiva frente a un único centro NV a distancias cortas.
A diferencia de trabajos vecinos, donde se medían correlaciones entre pares fijos de centros NV o se construían imágenes del campo magnético, aquí se obtiene por primera vez el espectro bidimensional completo del ruido magnético en momento y frecuencia. No es un sensor más, sino un nuevo tipo de microscopio que ve las excitaciones colectivas directamente, sin promediar sobre el volumen. El trabajo abre el acceso experimental al factor de estructura dinámico a bajas energías, donde antes reinaba la ceguera teórica.
Una mayor compresión del volumen sensible mediante superresolución y estados cuánticos entrelazados podría llevar la espectroscopía a un régimen por debajo de los 100 nanómetros. La integración con criogenia permitirá estudiar fluctuaciones superconductoras y transiciones de fase a bajas temperaturas. Es posible que se combine con compuertas eléctricas para controlar la muestra in situ.
El método se aplica directamente a superconductores bidimensionales, materiales magnéticos y sistemas topológicos. También ofrece una herramienta para poner a prueba teorías de hidrodinámica electrónica y transporte fuera del equilibrio.
El paso más inmediato es aplicar el montaje a un material real fuertemente correlacionado, por ejemplo a un superconductor con dinámica de vórtices. Después conviene ampliar el rango de frecuencias y automatizar el procesamiento de datos.
Para la física de la materia condensada sigue abierta la pregunta sobre los mecanismos microscópicos de disipación y ruptura de simetría en superconductores. El método da acceso directo a las correlaciones del parámetro de orden, lo que podría resolver viejas disputas sobre el papel de los vórtices y las cuasipartículas.
El volumen sensible del sensor puede comprimirse hasta 100 nanómetros, 2.5 veces menos que el límite de difracción de la luz. Es como leer el periódico por el ojo de una cerradura, pero distinguiendo las letras una a una.
La idea de ver las ondas invisibles de la materia resuena con las «ondas psi» de «Dune», de Frank Herbert, donde los navegantes perciben corrientes ocultas del espacio.