óxido de aluminio

Una carretera no se construye derribando las casas vecinas: primero se extiende el asfalto y luego se pule el exceso, dejando una calzada lisa. Algo parecido han hecho los físicos de Heidelberg al abordar la fabricación de contactos de Josephson, unos diminutos sándwiches de superconductor y aislante por los que la corriente fluye sin resistencia.

Una pila de páginas que se ha hojeado muchas veces lo recuerda: algunas hojas quedan planas, otras se abarquillan y en ciertos lugares quedan dobleces. Algo similar les ocurre a los materiales laminares cuando los iones penetran en ellos.

La cámara no captura una carrera, sino una danza de átomos. En el dióxido de vanadio, la transición del estado aislante al metálico ocurre en billonésimas de segundo, pero hasta ahora nadie había visto cómo se mueven exactamente los átomos de vanadio y oxígeno.

Una película transparente de óxido de bismuto y wolframio reposa sobre un sustrato sin conducir la corriente. Tres minutos en una nube de plasma de nitrógeno bastan para que se vuelva negra y su resistencia caiga mil millones de veces.

Un intérprete en una sala de audiencias debe transmitir cada palabra sin distraerse por el ruido ambiente. En el mundo cuántico, ese intérprete es un resonador superconductor que debe perder fotones siguiendo un horario estricto, sin desviarse por efectos extraños.

Un interferómetro cuántico superconductor es un dispositivo que detecta campos magnéticos miles de millones de veces más débiles que la aguja de una brújula común. En su interior hay un puente estrecho donde la superconductividad se interrumpe por un instante.

Los cúbits superconductores son el corazón palpitante de las computadoras cuánticas, pero su ritmo se ve perturbado por la decoherencia: la cuanticidad se disuelve en el ruido.

Cuanto más delgada es la película ferroeléctrica, más fuerte es el campo despolarizante: el dictado de la física clásica. Imagine un lápiz que se balancea sobre la punta del dedo: cuanto más corto, más difícil es mantenerlo vertical. Así es como la polarización nanométrica tiende a desaparecer.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde cada músico debe tocar su parte sin equivocarse. Los músicos son los cúbits, portadores de información cuántica. Para que la orquesta suene armoniosa, se necesitan cúbits fiables, controlables y no demasiado sensibles al ruido.

Un interruptor que sabe por sí solo hacia dónde fluir. Así funciona un diodo de Josephson: un puente superconductor donde la corriente pasa con facilidad en un sentido y encuentra resistencia en el otro. En el nuevo trabajo, ese puente se fabricó con grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor.

Los electrones en un conductor son como una multitud caótica: al chocar, pierden energía y surge la resistencia. En un superconductor, en cambio, se mueven de manera coordinada, como parejas en un baile sincronizado, sin rozarse. Este estado tiene una entropía reducida, es decir, menos desorden. Este comportamiento es raro en el oro y el cobre.

Un puente de aluminio de unas pocas capas atómicas de espesor es el corazón de muchos dispositivos cuánticos. A través de este puente, la corriente fluye sin resistencia y se puede controlar con un campo magnético.

Las partículas cuánticas pueden atravesar obstáculos, como una pelota que de repente aparece dentro de una colina y sale por el otro lado. Este efecto túnel fue explicado por George Gamow al descifrar cómo las partículas abandonan el núcleo atómico.

Una pinza óptica es un haz láser que mantiene un átomo en un punto, como los dedos sostienen un guisante. Con estas pinzas se construyen redes enteras de átomos, la base de las futuras computadoras cuánticas. Pero hay un problema: no en cada pinza cae un átomo.

Un memristor es una resistencia con memoria: tras cortar la corriente, conserva su resistencia. En su interior, una fina película de óxido metálico está intercalada entre dos electrodos metálicos.

Dos orillas superconductoras están unidas por un puente de material magnético. Dentro del puente hay una pared de dominio: un límite estrecho donde la magnetización se invierte, como una fila de soldados que cambia la dirección del paso.

Un chip cuántico se parece a un pastel de capas: metal superconductor, una capa fina de aislante, y otra vez metal. Antes, las capas se depositaban a través de una máscara de polímero, como una plantilla para pintar. El polímero dejaba gotitas invisibles en la superficie que estropeaban la superconductividad y ensuciaban el proceso. Ahora se ha eliminado la máscara.

Una superficie de niobio recién pulida brilla como un espejo. Pero en pocos minutos aparece sobre ella una película opaca de óxido, invisible al ojo. Para un cúbit superconductor, esa película es como arena en un reloj: hace que el estado cuántico se destruya antes de tiempo.

Dos coches idénticos salen de la misma cadena de montaje. Carrocería, ruedas, volante: todo coincide. Solo que uno lleva un motor de gasolina normal y el otro uno híbrido que se puede ajustar a la carretera. Y el híbrido se cala a los pocos kilómetros, mientras que el de gasolina recorre decenas.

Dos láminas de grafeno —una película de carbono de un átomo de espesor— sin giro recuerdan a un puerto atestado de bancos de arena: los iones de litio o encallan o pasan de largo sin detenerse. Pero un giro de 9,43° abre un canal perfecto. Los barcos-ión atracan con seguridad en los «muelles» de carbono y zarpan de inmediato sin perder velocidad.

Una lámina de grafeno de un átomo de espesor es como una malla metálica flexible por la que los electrones se mueven casi sin obstáculos. Apila dos de estas láminas con un ligero desplazamiento y las propiedades del material cambian drásticamente: puede convertirse en un aislante que no conduce la corriente.

Un ánodo de grafito convencional en una batería de sodio se parece a un garaje estrecho donde apenas cabe un camión grande. El sodio es más grande que el litio y no encaja bien entre las capas de grafito, por lo que las baterías pierden capacidad rápidamente.

Los circuitos superconductores suelen construirse sobre uniones Josephson, lugares donde la corriente fluye sin resistencia a través de una barrera delgada. Normalmente, esa barrera es una capa de óxido, pero sus propiedades son difíciles de controlar a escala nanométrica.

Una computadora cuántica es como una orquesta, donde cada cúbit es un músico que toca su parte. Pero de vez en cuando irrumpe un rayo cósmico en la sala, y el violinista se sobresalta y pierde el ritmo. Estas partículas del espacio profundo atraviesan el chip, expulsan electrones extra y estropean la frágil música cuántica.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico debe tocar su nota sin desafinarse. Pero los cúbits superconductores tienen un problema común: en sus electrodos se acumulan cargas aleatorias y la «nota» se desvía. Los ingenieros llaman a esto deriva de la compensación de carga y normalmente luchan contra ello durante años.

Cuando dos materiales diferentes se presionan uno contra el otro y luego se separan, salta una chispa entre ellos. Esto lo conoce cualquiera que se haya quitado un suéter de lana en la oscuridad o haya recibido una descarga de una manija de puerta.

En el cristal de un metal, los átomos se alinean en filas ordenadas, como ladrillos en una pared. Pero si se arranca un ladrillo, queda un hueco: lo que llamamos vacancia. Bajo irradiación, estos huecos se multiplican, comienzan a fusionarse en grandes cavidades y el metal pierde resistencia.

Un ordenador cuántico es como una orquesta en la que cada músico debe entrar exactamente a tiempo. El más mínimo susurro en la sala desconcierta al violinista y la melodía se desmorona. En los chips de silicio, el papel de esos susurros lo desempeña el ruido eléctrico: fluctuaciones aleatorias de la carga dentro del material. Hacen que los bits cuánticos se equivoquen.

El cúbit, la unidad de cálculo de un ordenador cuántico, vive fracciones de milisegundo y luego olvida su estado. Una de las causas es un contacto diminuto en su interior: dos capas de aluminio con una capa de óxido de aluminio de un par de nanómetros de espesor entre ellas.

Una fina película de arseniuro de indio sobre un sustrato aislante se comporta como un termo de doble pared: los electrones en su interior apenas ceden calor al cristal circundante. En un metal común, los electrones intercambian rápidamente energía con las vibraciones de los átomos, por lo que su temperatura siempre está cerca de la del material.

Un bit cuántico es como una peonza que debe girar durante mucho tiempo sin tambalearse. En el germanio, los científicos han aprendido a poner en marcha estas peonzas, pero el suelo siempre tiembla: las interferencias eléctricas perturban el giro.

Un superconductor ordinario y un campo magnético son como el agua y el fuego: el campo rompe los pares de electrones que transportan la corriente sin resistencia. Pero si en lugar de una película continua se utiliza un conjunto de granos diminutos de aluminio, cada uno recubierto por una fina capa de óxido, la situación cambia.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico debe tocar estrictamente su nota. Pero en la sala hay ruidos invisibles: defectos en los contactos superconductores que sacan a los cúbits del ritmo. Estos defectos se llaman sistemas de dos niveles. Son como grietas en el vidrio: pequeñas, pero capaces de arruinar todo el panorama.

El litio en una batería a veces se comporta como la hiedra en una fachada: en lugar de una capa uniforme, emite finos brotes afilados. Estas agujas pueden perforar el separador dentro del acumulador y provocar un cortocircuito. Por eso, los ingenieros buscan formas de lograr que el litio crezca de manera tranquila.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta donde cada músico debe tocar en perfecta armonía. Si un solo instrumento desafina, la melodía se desmorona. Los cúbits superconductores actúan como esos músicos, y su 'desafinación' es la pérdida de coherencia cuántica.

Un ordenador cuántico se ensambla a partir de muchos cúbits, como una orquesta a partir de músicos. Pero cada instrumento suena un poco distinto. En los cúbits superconductores, el papel de la cuerda lo desempeña un fino sándwich de aluminio y óxido de aluminio: la unión Josephson. A través de ella tunelan pares de electrones, y de lo fácil que les resulte depende la "altura tonal" del cúbit.

Un qubit superconductor es un diminuto circuito eléctrico que se comporta como un átomo artificial. En condiciones normales, la corriente fluye por él sin resistencia y los niveles de energía están espaciados uniformemente, como los peldaños de una escalera.

En un superconductor, los electrones se mueven en pares, como parejas de baile. Normalmente, a través de un contacto entre dos superconductores pasa un par a la vez. Pero si se añade un tercer contacto, el baile se complica: dos pares pueden moverse juntos, formando un cuarteto.

Un diminuto peine de niobato de litio vibra a una frecuencia de 300 millones de veces por segundo. Cada diente está tallado en una lámina cristalina del grosor de un cabello humano, y en sus paredes laterales se han depositado electrodos metálicos. La onda sonora rebota dentro del diente como un eco en un estrecho cañón de piedra, sin encontrar salida al exterior.

Un cristal de una sola capa atómica es como una hoja de papel en la que se puede escribir con electricidad. Este material promete convertirse en la base de microchips diminutos y rápidos. Pero antes de lanzarlo a producción, hay que saber exactamente de qué está hecho. Y aquí resulta que la fórmula habitual no cuadra.