centro NV de diamante

Un diminuto diamante, invisible al ojo, reposa sobre un chip y siente el calor como ningún termómetro común. En su interior se esconden dos defectos: lugares donde un átomo de carbono es reemplazado por uno de nitrógeno, y junto a él, un hueco.

El hidrógeno en una molécula a veces se parece más a una onda que a una bolita, capaz de filtrarse a través de una barrera de energía como un fantasma a través de una pared. Los químicos llaman a esto efecto túnel, y está en la base de muchos procesos, desde el funcionamiento de las enzimas hasta la transferencia de carga en los materiales.

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.

El neutrón es una partícula que normalmente reside en el núcleo atómico y no desaparece. Pero algunas teorías sugieren que, en ocasiones, podría transformarse en su gemelo invisible: una partícula imposible de detectar con los detectores convencionales.

Imagina una orquesta donde cada músico es un diminuto sensor magnético dentro de un diamante. Para tocar con precisión, necesitan silencio: ni vibraciones extra ni ruidos ajenos. Pero al crear estas orquestas —finas películas de diamante con defectos de nitrógeno— el desorden se cuela en el material.

Un diminuto defecto en el cristal de diamante es como un micrófono sensible que capta los campos magnéticos más sutiles. Así funcionan los sensores basados en centros de nitrógeno-vacante (cuando un átomo de nitrógeno y una vacante vecina forman un sistema cuántico).

Un panal de abejas hecho no de cera, sino de átomos, es el grafeno: un cristal plano de un solo átomo de espesor. Sus electrones se asemejan a corredores en un cruce: a veces aceleran, a veces frenan, pero nunca se quedan atascados en el borde. Los físicos llaman a esa lámina 'topológicamente trivial', es decir, con bordes completamente ordinarios, sin propiedades especiales.

Crear un nodo de una red cuántica es como enseñar a un bailarín a equilibrarse sobre un hilo de carbono suspendido sobre un abismo. Un pie debe despegarse con facilidad, lanzando fotones mensajeros al mundo exterior. El otro debe aferrarse con firmeza a la cuerda, guardando la preciosa información cuántica.

En lo profundo de un cristal de diamante, salpicado de centros NV, dormita una sinfonía. Cada defecto es como un diapasón, listo para resonar con una onda acústica que pasa. Pero por separado, sus voces son apenas audibles: la interacción entre el espín y el fonón es más débil que un susurro.

El diamante es símbolo de perfección, pero su verdadera magia se revela a través de las imperfecciones. La pureza ideal de la red otorga transparencia y dureza, mientras que los defectos —como los centros de color— abren un portal al mundo cuántico, convirtiéndose en la base de computadoras cuánticas y…

En el diamante, como en cualquier cristal, aparecen defectos —nodos vacíos o átomos extraños. Al capturar un electrón, brillan o se magnetizan, algo muy valioso para los dispositivos cuánticos.

Las partículas magnéticas están unidas a la superficie del diamante mediante hebras de ADN, como marionetas con cuerdas. Bailan sin cesar impulsadas por el movimiento térmico de las moléculas del líquido. La viscosidad marca el ritmo: en la miel las partículas apenas tiemblan, en el alcohol danzan rápido.

Un gas incandescente se deposita sobre un sustrato y, capa a capa, va formando una película transparente. Pero en lugar de un espejo perfecto, la superficie a veces se cubre de diminutos bultos, como carámbanos en un cristal en plena helada. Normalmente se intentan eliminar porque estorban a la hora de fabricar piezas lisas.

En los dispositivos cuánticos de diamante hay un diminuto defecto: el centro de nitrógeno-vacancia (un átomo de nitrógeno más una vacante en lugar de un átomo de carbono). Funciona como un interruptor que chasquea espontáneamente de un lado a otro: puede llevar un electrón extra o no llevarlo, y de eso depende si brilla o no.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta en la que cada músico-cúbit debe tocar en un silencio perfecto. Pero cuando hay muchas orquestas y quieren tocar juntas, necesitan un director de comunicaciones fiable.

En el cristal de diamante a veces aparecen «invitados»: átomos individuales de otros elementos que ocupan el lugar del carbono. Uno de estos invitados, un átomo de estaño, emite luz de un color estrictamente definido cuando se irradia con láser. Ese color cambia si el diamante se comprime. Los físicos calcularon cuánto exactamente.

El diamante es el material natural más duro y normalmente no conduce la electricidad. Pero si se añaden algunos átomos extraños a su red cristalina, puede convertirse en un semiconductor, como el silicio de los chips de computadora.

En la cocina hay un cubo con agua y otro igual con arena. Vertemos la arena en el agua y obtenemos una mezcla donde hay exactamente cinco veces más arena que agua. Así está organizado nuestro universo: hay una parte de materia ordinaria, de la que están hechas las estrellas, los planetas y nosotros mismos, y cinco partes de la esquiva materia oscura.

El nitrógeno, ese mismo gas que respiramos, bajo una presión de un millón de atmósferas se comporta como un metal caprichoso. En una cámara de yunques de diamante se comprime hasta 78–98 gigapascales y se calienta con láser hasta 1800–2500 kelvin.

Un trompo que gira sobre una superficie perfecta se cae ante la más mínima vibración. Así le ocurre al bit cuántico, creado a partir de un defecto en el diamante: su estado lo destruyen el desorden magnético de las impurezas y las perturbaciones externas.

Bajo un campo magnético intenso, los electrones confinados en una capa delgada a veces se alinean en un patrón regular, como invitados en una fiesta concurrida que encuentran un lugar donde nadie los empuja. Este orden se denomina cristal, aunque no es hielo ni sal, sino los propios electrones inmóviles en sus posiciones.

El láser normalmente calienta. Pero en algunos cristales, la luz puede llevarse el calor, como si una tetera se enfriara bajo una lámpara brillante. En el diamante, ese trabajo lo hacen los defectos: lugares donde en lugar de carbono hay un átomo de nitrógeno y, junto a él, un hueco.

En la red cristalina del diamante, de vez en cuando aparecen defectos: un átomo de nitrógeno ocupa un lugar equivocado, y junto a él se abre un vacío. Tal imperfección se convierte en una brújula de diamante ultrasensible: su aguja magnética tiembla al más mínimo campo externo.

Las moléculas en una solución se comportan como una multitud en una plaza: pueden empujarse sin orden, o alinearse en filas perfectas. La solución acuosa de cromoglicato de disodio es un conocido modelo de cristales líquidos cromónicos, donde esas "filas" surgen espontáneamente. Pero si se ilumina la solución con luz ultravioleta, el orden se derrumba: las moléculas comienzan a fragmentarse.

En un trozo de diamante se esconde un diminuto defecto: un átomo de nitrógeno junto a una vacante. Este defecto capta campos magnéticos como una antena capta ondas de radio y responde con destellos de luz.

En 2017, una piedra cayó del cielo en la aldea india de Mukhundpura. Era un raro meteorito carbonáceo: un fragmento de material cósmico antiguo que guarda huellas del nacimiento del sistema solar. Los lugareños recogieron rápidamente los fragmentos y estos llegaron a un laboratorio.

Una mota de polvo de diamante, más pequeña que la centésima parte de un milímetro, brilla en rojo. En su interior hay un defecto del cristal: dos átomos de carbono vecinos, donde falta uno y junto a él se encuentra un átomo de nitrógeno. Ese par atrapa la luz y la devuelve, como un faro diminuto que no se apaga a temperatura ambiente.

Una mota de polvo de diamante hecha de carbono flota en el vacío sobre un rayo láser. En su interior hay un defecto: un átomo de nitrógeno junto a un vacío. Bajo la acción de luz y microondas, comienza a temblar, haciendo oscilar toda la mota.

El espacio vacío nunca está realmente quieto. Está lleno de diminutas fluctuaciones de energía, como la arcilla cruda de un escultor. En un nuevo experimento, se colocó una fina película de material superconductor dentro de una cavidad diseñada para atrapar luz de terahercios, una forma de radiación invisible.

Un diminuto diamante, más pequeño que una mota de polvo, flota en una trampa magnética hecha de microchips. Dentro del cristal hay un único defecto que funciona como un faro. Los científicos hacen que el diamante esté en dos lugares a la vez, como la bolita de un mago que, sin truco, está bajo dos vasos. Esto no es un simple truco.

Calienta un reloj de cuarzo común diez grados y empezará a atrasarse segundos por día. Los relojes atómicos son más precisos, pero ocupan un armario entero. Un diamante con un diminuto defecto —la vacancia de nitrógeno— promete la precisión de un reloj atómico en el volumen de un grano de arena.

En el cristal de diamante hay grietas invisibles: las dislocaciones. Son lugares donde las filas de átomos están desplazadas, como si en una pila de papel se hubiera sacado una hoja a medias. Alrededor de estos lugares se genera tensión, y esta afecta a cómo el material se rompe, se dobla o conduce la electricidad.

En el diamante se puede incrustar un «espía». Basta con sustituir un átomo de carbono por nitrógeno: se obtiene un defecto que reacciona al campo magnético y emite una señal luminosa.

Una multitud de treinta y un sensores cuánticos susurra en una lámina de diamante. Antes, ese susurro se ahogaba en el estruendo de los reflectores: las ráfagas aleatorias de fotones con las que se leía el estado de los espines acallaban el ruido cuántico propio del conjunto. Ahora los físicos han aprendido a apagar los reflectores y a escuchar a la multitud misma.

En una placa de diamante de dos por dos milímetros cabe toda una orquesta de cuarenta y nueve violines. Cada cuerda está afinada a su nota, a su fragmento de ADN. Cuando entra la melodía adecuada, la cuerda responde y el director oye un sonido limpio. Ese director es un sensor cuántico escondido en el propio diamante.

Un haz de luz visible entra en una nube de miles de millones de átomos de rubidio enfriados casi hasta el cero absoluto, y sale por el otro lado ya en el rango de telecomunicaciones.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta donde las cuerdas y los vientos tocan en idiomas diferentes. Los superconductores procesadores operan con fotones de microondas en circuitos de centímetros, mientras que los cúbits de espín —por ejemplo, los centros…

Un diapasón suena cuando se le golpea. Sus puntas vibran y el sonido se escucha hasta que la vibración se extingue. En el mundo cuántico también existen «diapasones»: por ejemplo, un defecto en un diamante que responde a un campo magnético, y un tubo de carbono capaz de vibrar a frecuencias miles de…

Un pequeño diamante con defectos —átomos de nitrógeno que ocupan el lugar del carbono— esconde una característica inusual. Alrededor de cada defecto gira un electrón extra, como una peonza que se puede inclinar con pulsos de radio.

En el interior del diamante se esconden diminutas imperfecciones: lugares donde un átomo de carbono es reemplazado por nitrógeno y, junto a él, se abre un hueco. Estos defectos, como faros, pueden almacenar y transmitir información cuántica.