detección con centros NV

El oleaje llega a la orilla no con un frente uniforme, sino con lenguas de espuma que unas veces se funden y otras se separan. Los campos magnéticos dentro de los materiales se comportan de forma parecida: respiran en forma de ondas y, hasta ahora, nadie las había visto en su totalidad.

Una esfera de aluminio del tamaño de un globo terráqueo grande se sitúa en un haz de neutrones y responde a cada impacto con una nota precisa. Dentro de la esfera no hay nada más que nitrógeno y once pequeñas esferas de acero, cada una del tamaño de la cabeza de un alfiler.

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.

Un metal de cinco átomos distintos es como una sopa en la que flotan trozos de zanahoria, guisantes, patata, cebolla y carne. Cada trocito es un elemento: cromo, vanadio, titanio, niobio y tántalo. Esta aleación se llama de alta entropía: no tiene un orden único, los átomos están mezclados casi al azar.

El campo magnético de la Tierra no es constante: tiembla por el viento solar, por tormentas lejanas, por el funcionamiento del metro. Para notar esas vibraciones se necesita un instrumento que no vibre por sí mismo. Los físicos han construido uno con átomos de iterbio enfriados casi hasta el cero absoluto.

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).

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.

En las profundidades de la Tierra, el hierro está al rojo blanco y la presión es tal que un instrumento común quedaría aplastado. Para asomarse a ese mundo, los físicos crearon un microscopio especial basado en diminutos defectos del diamante (los llamados centros NV).

Un diminuto defecto en un cristal de nitruro de boro se comporta como una lamparita indicadora. Al iluminarlo, brilla y el tono de esa luz depende de la temperatura: cuanto más calor, más rojo. Al mismo tiempo, si se irradia el defecto con microondas, su brillo comienza a parpadear al ritmo del campo magnético externo.

Los sensores magnéticos convencionales pierden sensibilidad al reducir su tamaño. Pero los científicos convirtieron un diminuto diamante en una brújula luminosa. A diferencia de los diamantes de joyería, aquí no se valora la pureza, sino los defectos creados artificialmente: son ellos los que transforman el cristal en una brújula.

Intentar contar a las personas en una habitación oscura por el sonido de su respiración choca con el ruido general: no se oyen las respiraciones individuales. Un problema similar enfrentan los científicos que trabajan con espines cuánticos en sólidos. Cada espín (el momento magnético del electrón) tiene su propia "voz", pero el ruido técnico de los instrumentos la ahoga.

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.

En una habitación oscura, una cuenta de vidrio del tamaño de una mota de polvo cuelga de un rayo láser. Debajo hay dos espejos: uno de aluminio y otro de plata. Si cerca pasan axiones —ligeras partículas invisibles que podrían constituir la misteriosa materia oscura—, estos intercambian axiones con los átomos de los espejos y la cuenta se desplaza ligeramente.

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 diminuto diamante con un defecto: un átomo de nitrógeno junto a una vacante en el cristal. Este defecto, el centro NV, funciona como una aguja magnética: bajo luz verde emite luz roja, y el brillo depende de la dirección de su campo magnético.

Si se cambia no la composición, sino solo la disposición de los átomos, se puede hacer que un mismo material conduzca la corriente o absorba la luz de manera diferente. Esto es precisamente lo que hicieron los autores del trabajo con óxidos de níquel y cobalto.

En un imán diminuto, la información no está escrita en hacia dónde apunta la flecha, sino en cómo se alternan las direcciones de sus átomos. En los antiferromagnetos, estas flechas se compensan entre sí, por lo que desde fuera el material parece no magnético. La escritura está ahí, pero no se puede leer de la manera habitual: el estado es como una nota escrita con tinta invisible.

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.

Dentro de una cápsula de vidrio del tamaño de un guisante flotan átomos de rubidio. Un rayo láser los lleva a un estado especial, el estado de Rydberg, en el que el electrón se aleja mucho del núcleo y el átomo se vuelve extraordinariamente sensible a los campos externos.

Un transistor de potencia de carburo de silicio opera bajo voltajes miles de veces superiores a los de un enchufe doméstico. Si el campo se distribuye de manera desigual en su interior, el dispositivo se quema. Antes no se podía ver ese campo: es demasiado intenso para los sensores convencionales, y el dispositivo debe permanecer bajo tensión.

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 los laboratorios donde los átomos se enfrían casi hasta el cero absoluto, cualquier cambio diminuto del campo magnético desajusta todos los parámetros.

Un imán de nevera atrae un clip: ese campo lo sentimos con las manos. Ahora reduzca ese campo mil millones de veces. Señales tan débiles son las que emiten los átomos dentro de nuestro cuerpo, y son muy difíciles de captar. Los científicos construyeron un sensor con moléculas especiales que actúan como diminutos imanes.

Un diminuto defecto en el cristal de un diamante funciona como una antena sensible. Si un campo magnético oscila cerca, este defecto —una vacancia de nitrógeno— responde con un destello de luz. Antes, para escuchar la señal, había que acumular muchas mediciones repetidas, como quien escucha un susurro pegando el oído a la puerta.

Una pizca de polvo de diamante en un vaso de líquido actúa como cientos de diminutas brújulas magnéticas. Cuando aparecen cerca moléculas con electrones desapareados (llamadas paramagnéticas), las agujas de esas brújulas comienzan a temblar. Ese temblor permite saber qué molécula es y cuánta hay.

El campo magnético es invisible, pero se puede hacer que «brille» con la ayuda de diminutos defectos en el diamante: los centros de nitrógeno-vacancia. Cada uno de estos defectos funciona como una brújula en miniatura que indica hacia dónde está orientado el campo.

Un diminuto defecto en el diamante es como un oído microscópico, capaz de captar la «respiración» magnética del corazón. Estos sensores funcionan a temperatura ambiente y no superan el tamaño de un grano de arena.

Los sensores de azúcar en sangre convencionales dependen de enzimas, proteínas que reconocen la glucosa. Pero las enzimas son caprichosas: se echan a perder por el calor, la humedad y el paso del tiempo, como las flores cortadas se marchitan sin agua.

El campo magnético nos rodea por todas partes: desde la brújula del teléfono hasta el escáner de resonancia magnética del hospital. Para medirlo con gran precisión se necesitan materiales especiales que reaccionen ante los mínimos cambios del campo.

En una celda de yunques de diamante, la presión comprime la materia como si estuviera enterrada a cientos de kilómetros de profundidad en la Tierra.

El campo magnético es invisible, pero se puede hacer que 'brille'. Para ello se toma un diminuto diamante con defectos: lugares donde un átomo de carbono es reemplazado por nitrógeno y, junto a él, falta un nodo de la red.

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.

Un director dirige una orquesta de miles de millones de músicos y, al mismo tiempo, escucha a cada uno por separado. Algo así es lo que intentan lograr los físicos cuando quieren hacer convivir la luz y los espines de los electrones en un sólido.

Diminutos defectos en el cristal de nitruro de boro funcionan como sensores magnéticos ultrasensibles. Pero su señal se parece a una radio con la antena desajustada: en lugar de una nota clara, se obtiene un amplio rango ruidoso. Un pulso de microondas normal a una sola frecuencia apenas alcanza una pequeña parte de esas "emisoras".

En una habitación oscura, un diminuto diamante brilla en rojo cuando un láser verde incide sobre él. Esa luz no es un adorno, sino una señal: su intensidad cambia si hay un campo magnético cerca. En el diamante hay defectos: átomos de nitrógeno con una vacante adyacente.

Una célula no se limita a reposar sobre una superficie: la palpa, la estira y la empuja. Hasta ahora, los instrumentos solo detectaban fuerzas directas: cuánto presiona o estira la célula su soporte. Pero si tomas una célula por los "hombros" y la giras ligeramente, ella responde retorciéndose, y ese giro, hasta hace poco, nadie lo había medido.

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.

Cada célula es un diapasón en miniatura. Un fuerte pulso magnético la hace "sonar", y la atenuación de ese sonido depende de lo que hay dentro: viscosidad, densidad, composición. Un diminuto diamante con un defecto en su estructura funciona como un micrófono ultrasensible, captando los ecos magnéticos de células individuales.

En la década de 1930, Fritz Zwicky, al observar el cúmulo de Coma, notó velocidades anómalamente altas en las galaxias: su movimiento indicaba la presencia de una enorme masa oculta que mantenía unido gravitacionalmente al sistema.