Físicos descubren cómo las partículas fundamentales pierden el rastro de las propiedades mecánico cuánticas

Los científicos presentaron sus conclusiones en la reunión anual de la Sociedad de Física Americana la semana pasada.

En la edición del 13 de marzo de Science Express, la edición online anticipada a la publicación de la revista Science, investigadores informan de una serie de experimentos que marcan un importante paso adelante en la comprensión de un antiguo problema físico fundamental de la mecánica cuántica. Los científicos presentaron sus conclusiones en la reunión anual de la Sociedad de Física Americana la semana pasada.

El problema que abordaron los físicos es cómo una partícula fundamental de materia pierde el rastro de sus propiedades mecánico cuánticas a través de interacciones con su entorno.

La investigación fue llevada a cabo por científicos del Instituto NanoSystems de California en la Universidad de California en Santa Bárbara y del Laboratorio Ames en Iowa del Departamento de Energía de los Estados Unidos.

A nivel cuántico las cosas como partículas u ondas de luz se comportan de formas muy distintas de lo que los científicos esperan en un mundo a escala humana. En el mundo cuántico, por ejemplo, un puede existir en dos lugares al mismo tiempo, lo que se conoce como “superposición” de estados, o espines arriba y abajo a la vez.

La mecánica cuántica en la computación podría llevar a una comunicación en la que no habría posibilidad de fisgones, podrían hacerse búsquedas en bases de datos a la velocidad de la luz, y sería imposible romper códigos.

La respuesta al problema que los investigadores han abordado es clave para desvelar cómo el mundo clásico en el que vivimos surge a partir de las interacciones de todas las partículas cuánticas de la materia. Esta búsqueda científica trata de la dinámica cuántica básica del espín de una única partícula acoplada a una colección, o baño, de espines aleatorios. Este escenario describe el comportamiento subyacente de una amplia clase de materiales a nuestro alrededor, desde el tunelado de espín cuántico en las moléculas magnéticas a la resonancia magnética nuclear en semiconductores.

“Estamos impresionados por estos inesperados resultados experimentales, y extremadamente entusiasmados por la capacidad de controlar y monitorizar estados cuánticos individuales, especialmente a temperatura ambiente”, dijo el autor David Awschalom, profesor de física de la UC Santa Bárbara. Awschalom es director asociado del Instituto NanoSystems de California en la UCSB y director del Centro de Espintrónica y Computación Cuántica, también en la universidad.

Recientemente el tema de cómo las partículas fundamentales perdían el rastro de las propiedades mecánico cuánticas a través de la interacción con el entorno ganó una importancia crucial en el campo de la información cuántica. En este área, la manipulación robusta de estados cuánticos promete enormes aceleraciones sobre la computación clásica. Seguir el rastro de la fase cuántica es esencial para mantener la información cuántica, y la visión de la pérdida de fase ayudará mucho a mitigar este proceso.

El trabajo experimental sobre este tema ha estado hasta ahora por tanto restringido por la carencia de alta fidelidad en el control de un único espín en la naturaleza y la incapacidad de influir directamente en la dinámica del baño.

En una colaboración entre físicos del grupo de investigación de Awschalom en la UCSB y Slava Dobrovitski, científico visitante del Laboratorio Ames en Iowa, se llevaron a cabo una serie de experimentos que utilizaron espines electrónicos en diamantes para investigar distintos regímenes de interacciones de espín en el baño, y proporcionar mucha información sobre la dinámica de la decoherencia.

Los científicos usaron cristales de diamante para estudiar el espín de un único electrón atado a una colección ajustable de espines cercanos. Dos características del diamante que hacen que este sistema tenga una viabilidad sin precedentes en investigaciones de la dinámica de la coherencia son el preciso control óptico de un espín individual que es único en el diamante, y la ajustabilidad magnética del baño del espín y de la dinámica del baño con pequeños imanes permanentes. Las observaciones de su equipo contienen un número de extraordinarios descubrimientos, tales como la desaparición y reaparición dependientes del tiempo de oscilaciones cuánticas en los espines de la estructura del diamante.

“Para nuestra sorpresa, cuando observamos tiempos más largos, las oscilaciones desaparecían y reaparecían”, dijo el coautor Ronald Hanson, estudiante de posdoctorado en la UCSB durante este periodo y que ahora es profecor en el Instituto Kavli de Nanoscience en la Universidad de Tecnología de Delft en Holanda. “A primera vista parecía un artefacto, pero la repetición de medidas reprodujeron este comportamiento”.

El problema de un único espín acoplado ha estado sujeto a un intenso esfuerzo de estudio internacional, dado que este marco de trabajo conceptual describe el comportamiento físico de un número de sistemas reales. Entre otros, estos incluyen espines electrónicos y atómicos que son los candidatos principales para implementar procesadores de información cuántica y dispositivos espintrónicos coherentes.

Una serie de experimentos directos junto con simulaciones teóricas demostraron que los espines en un diamante sirven como modelo ajustable casi ideal de espín central.

“Este trabajo demuestra un extraño nivel de sinergia entre experimento, teoría analítica ay simulaciones por ordenador”, dijo Dobrovitski. “Estos tres constituyentes concuerdan, se apoyan y se complementan entre sí. Junto, dan una descripción cuantitativa lúcida de lo que sucede con los centros de los espines en diamantes, a la vez que proporcionan una descripción cualitativamente precisa. Este acuerdo es difícil de anticipar para sistemas tan complejos, donde interaccionan muchos espines cuánticos de electrónicos y nucleares entre sí”.

Estudios de la dinámica cuántica de los espines en diamantes es un tema emergente que implica a distintos grupos de investigación líderes a nivel mundial. También puede ser importante en el contexto del reciente interés en dispositivos electrónicos basados en el carbono empleando nanotubos de carbono y/o grafeno.

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Autor: Gail Gallessich
Fecha Original: 13 de marzo de 2008
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Fuente: Ciencia Kanija