dispositivo superconductor de interferencia cuántica

En una habitación tranquila, sin un solo imán, dos electrones en una trampa de silicio siguen sintiendo un leve temblor. Lo crean los núcleos de los átomos de silicio y germanio, que giran caóticamente como las agujas de brújulas rotas. Antes se consideraba ese temblor una molestia, pero ahora se ha convertido en un instrumento de medición.

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.

Un puente por el que peatones y ciclistas circulan en el mismo flujo sin estorbarse. Así funcionan, más o menos, los sistemas híbridos de superconductores y semiconductores: unos transportan corriente sin pérdidas y otros controlan esa corriente.

En una habitación oscura apenas se oye un susurro. Para distinguir las palabras, hay que acercarse mucho — o colocar muchos micrófonos sensibles.

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.

La materia oscura aún escapa a la observación directa, aunque su gravedad mantiene unidas a las galaxias. Una hipótesis: está compuesta de axiones, partículas muy ligeras predichas por la teoría.

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.

El campo magnético no penetra en un superconductor como un flujo continuo, sino en forma de finos hilos: los vórtices. Normalmente se repelen y se ordenan en una red triangular regular, como flotadores en el agua. Pero en CaSb₂ todo ocurrió de otra manera: los vórtices se agruparon en montones apretados, dejando entre ellos espacios casi vacíos.

Los físicos intentan escuchar un susurro en una habitación ruidosa. Construyen una cabina insonorizada, pero incluso en ella, la propia respiración y los latidos del corazón crean interferencias. Así se buscan los indicios de la gravedad cuántica: quieren ver cómo la fuerza de la gravedad une dos partículas en un todo único, es decir, las enreda.

Un gas superfluido se comporta como un líquido sin fricción. Dos nubes de este gas se conectan mediante un puente estrecho, y a través de él fluye una corriente de partículas. Esto recuerda al efecto Josephson en los superconductores, pero en lugar de electrones, son átomos neutros.

Las mediciones magnéticas ordinarias solo ven la superficie del superconductor, donde interfieren barreras y flujos viscosos del campo magnético. En el interior, en el llamado estado intermedio, coexisten dominios superconductores y normales separados por paredes delgadas. Estas paredes pueden oscilar, pero era difícil escucharlas directamente.

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.

Un susurro en una habitación ruidosa es casi imperceptible. Un amplificador convencional añade su propio ruido y ahoga el sonido débil. Un amplificador cuántico funciona de otro modo: amplifica la señal casi sin añadir ruido extra, como un oído perfecto. Pero incluso un oído así tiene sus problemas.

El agua hierve a cien grados en una tetera, pero si se comprime fuertemente, se comporta de otra manera. De forma similar, los quarks y los gluones —los ladrillos que forman protones y neutrones— cambian sus propiedades en un campo magnético intenso.

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.

Un sensor de campo magnético ultrapreciso convencional se parece a una balanza que empieza a mentir si le pones un peso demasiado grande. La señal se distorsiona y hay que añadir electrónica compleja para enderezar las lecturas. Esa electrónica introduce ruido y dificulta el funcionamiento rápido.

Un fotón es como un auto en un estacionamiento de varios pisos, donde cada piso es su frecuencia (color). Normalmente se queda atascado en un nivel, pero los científicos agregaron un ascensor: un modulador programable que mueve al fotón entre pisos a voluntad.

Una esfera magnética flota en el vacío sobre una placa metálica fría. Sin hilos ni soportes: solo el campo invisible del superconductor evita que caiga. Si se empuja ligeramente la esfera, comienza a oscilar hacia arriba y hacia abajo, y la frecuencia de esas oscilaciones depende de cuán fuertemente la atrae la placa. Así funciona el nuevo sensor de fuerza.

La luz del sol cae sobre un tejado y en una fina película nacen electrones. Deben llegar a tiempo a los cables antes de enfriarse y perder energía. En el sulfuro de estaño, un material barato y accesible para baterías, se ha logrado captar esa carrera y ese enfriamiento con una nitidez sin precedentes: las imágenes se suceden cada milmillonésima de milmillonésima de segundo.

Un haz de rayos X incide sobre un trozo de superconductor y este se calienta de forma casi imperceptible. Ese aumento de temperatura, de milmillonésimas de grado, es la única huella que deja la luz. El nuevo detector lo capta, como un termómetro muy sensible pegado a un metal frío.

Las computadoras cuánticas prometen describir moléculas con precisión, pero su principal problema es el ruido. Cada cúbit adicional y cada operación extra añaden errores. Químicos y físicos han ideado una forma de calcular moléculas con la mitad de cúbits: el método HSQD.

Un interruptor común hace clic, y la corriente fluye o no. Ahora existe un material que conmuta por sí mismo entre «conduce sin pérdidas» y «opone resistencia» bajo la acción de un imán. Ese sándwich es el que han construido los físicos: una fina película de plomo sobre un superconductor de bismuto, estroncio, calcio, cobre y oxígeno.

En el receptor de un telescopio apuntado al resplandor más antiguo del universo se encuentra una diminuta placa termométrica. Es tan sensible que el calor de un solo fotón puede calentarla notablemente. Pero para escuchar ese susurro de calor se necesita un intermediario: un amplificador que no añada su propio ruido.

Un detector superconductor de fotones individuales se parece a una cuerda tensa en la oscuridad. Cuando un solo fotón incide sobre ella, la cuerda pierde la superconductividad por un instante, y oímos un clic. Pero hasta ahora, la cuerda siempre estaba desafinada: el detector funcionaba peor de lo que el material permitía.

Dos estrellas giran tan cerca que sus capas externas se funden en una envoltura común. La materia fluye de una a otra, como agua de una taza rebosante a la vecina. En esta danza cósmica, donde las estrellas literalmente se tocan, los astrónomos han detectado campos magnéticos por primera vez de forma masiva.

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.

Tanto geólogos como navegantes necesitan mediciones precisas de la gravedad. Pero los gravímetros convencionales son aparatos voluminosos que tardan en "asentarse" después de cada medición. ¿Y si hay que monitorear cambios rápidos en la atracción, por ejemplo, bajo tierra o en vuelo? Entonces se necesita un instrumento pequeño y receptivo.

Un circuito superconductor es como un columpio sin fricción, posible solo a temperaturas de helio líquido (–273 °C). En ese frío, la corriente eléctrica corre en círculos sin atenuarse, manteniendo su ritmo.

El vacío es engañoso. William Unruh demostró que un observador acelerado siente el vacío caliente.

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.

Según la teoría de Einstein, la rotación de la Tierra arrastra consigo el espacio-tiempo, como una cuchara arrastra miel espesa. Este efecto es increíblemente débil: aproximadamente una vuelta cada miles de millones de años. Pero se puede captar.

Haz pasar una corriente por un contacto entre un superconductor y un ferromagnético y escucharás el susurro del mundo cuántico.

En Jefferson Lab, los electrones se aceleran hasta 12 GeV y chocan contra protones para arrancarles sus secretos. Pero los detectores actuales se parecen a cámaras con un campo de visión estrecho: o ves mucho pero borroso, o ves nítido pero solo un pedacito.