detección magnética cuántica

Una escalera cuyos travesaños son imanes diminutos. Si los imanes vecinos apuntan en direcciones opuestas, la escalera está «tranquila». Pero si se les obliga a apuntar en la misma dirección, toda la estructura se magnetiza y se vuelve «testaruda». Los científicos construyeron esta escalera con átomos de germanio, un semiconductor con el que se fabrican transistores.

Un receptor de radio del tamaño de la palma de la mano puede medir la potencia de la señal con más precisión que los costosos bancos de laboratorio. En su interior no hay bobinas ni antenas, solo una cabeza de vidrio y una nube de átomos de rubidio enfriados casi hasta el cero absoluto.

Cuando un edificio se derrumba, el acero de refuerzo se convierte en una brújula magnética caótica. La entropía —una medida del desorden— aumenta, pero precisamente ese desorden señala los huecos donde puede haber personas.

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.

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.

El campo magnético de la Tierra, que hace girar la aguja de una brújula, es fuerte. El nuevo sensor detecta campos cien mil veces más débiles, y para ello no necesita ni helio líquido ni instalaciones voluminosas. Todo cabe en una placa de circuito impreso, igual que la que hay dentro de un teléfono inteligente.

El magnetómetro cuántico basado en núcleos de hidrógeno funciona como auriculares con cancelación activa de ruido. Escucha el campo alternativamente de dos formas distintas: el ruido es igual en ambas, pero la señal útil es diferente. Al restar una de la otra, el dispositivo aísla la señal, reduciendo las interferencias más de 1000 veces.

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 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 diamante flota en el aire, sostenido por un campo eléctrico, como una mota de polvo en un rayo de luz. En su interior se esconden defectos: lugares donde un átomo de carbono es reemplazado por nitrógeno y, junto a él, hay un hueco.

Las ondas en los imanes se parecen a las vibraciones de una cuerda: si tocas la cuerda, suena en una sola nota, pero con una excitación fuerte aparecen armónicos: sonidos en frecuencias múltiples.

Una partícula atrapada en una trampa de luz se comporta como una bolita sujeta a un muelle: si la empujas, empieza a oscilar. Si aprietas el muelle de golpe, la bolita se queda un instante en el punto más bajo, donde su posición se conoce con mayor precisión.

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.

El campo magnético que se quiere medir se parece a una melodía interpretada en una sala ruidosa. El sensor cuántico es un micrófono capaz de captar las notas más tenues, pero también oye lo que no es música: susurros, chirridos, la respiración de los vecinos. Todo eso se mezcla con la señal y arruina la grabación.

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.

La aguja de un microscopio de efecto túnel se cierne sobre la superficie a una distancia menor que el diámetro de un átomo. Normalmente, explora el relieve como un dedo sobre una página en braille. Ahora, esa misma aguja ha aprendido a escuchar cómo tiembla una membrana del tamaño de una uña.

En un enorme espectrómetro en Karlsruhe, parecido a un gigantesco barril metálico, se capturan partículas que casi no se dejan atrapar. Los neutrinos son los fantasmas del micromundo: cada segundo, billones de estas partículas atraviesan tu cuerpo sin que lo notes. Pero tienen masa, y los científicos quieren medirla.

Una cadena de átomos en un chip fotónico se comporta como una hilera de péndulos en una barra común: al oscilar en direcciones opuestas, apenas transmiten energía al aire y permanecen quietos durante mucho tiempo.

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.

Dos grandes teorías describen la realidad: una —cómo los cuerpos masivos provocan la curvatura del espacio-tiempo—, y la otra —el Modelo Estándar— gobierna las partículas elementales. Conciliarlas parece imposible, como intentar describir una tormenta oceánica con el lenguaje de una red de diamante.

Entre las simetrías fundamentales de la naturaleza, la paridad especular ocupa un lugar especial. El Стандартная модель ya conoce una violación de esta simetría —en la interacción débil—, pero las hipotéticas fuerzas de largo alcance que no conservan izquierda y derecha podrían revelar mucho sobre la тёмной материи.