Caos, diamantes y una «señal eterna»: cómo los físicos lograron que la radiación cuántica funcione sin aporte externo

Científicos de Austria y Japón descubrieron una manera de estabilizar la radiación cuántica que antes se consideraba demasiado inestable para aplicaciones prácticas. El estudio muestra que las señales de microondas que surgen a partir de la interacción de espines cuánticos pueden no solo conservarse durante más tiempo de lo que se pensaba posible, sino también mantenerse sin una fuente externa de energía. Este descubrimiento podría cambiar el enfoque para la creación de tecnologías cuánticas.

Normalmente, en la llamada emisión superradiativa muchas partículas emiten energía simultáneamente, lo que da lugar a un pulso potente pero muy breve de radiación. Ese destello se atenúa rápidamente, lo que lo vuelve inútil para crear fuentes de señal estables. Sin embargo, un equipo de especialistas de la Universidad Tecnológica de Viena y del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa demostró que este problema puede resolverse.

Los investigadores utilizaron un cristal de diamante con una alta concentración de centros de vacantes de nitrógeno, que son defectos de la red cristalina en los que un átomo de nitrógeno se sitúa junto a un sitio vacío donde debería estar un átomo de carbono. Dentro de cada uno de esos centros hay un electrón con espín capaz de pasar entre estados cuánticos. El cristal se colocó en un resonador que confina la radiación de microondas, lo que le permitió interactuar de forma efectiva con los espines.

Tras la excitación inicial, los científicos observaron el breve y potente impulso típico de la superradiación. Sin embargo, ocurrió algo inesperado: el sistema comenzó a producir espontáneamente señales estrechas y prolongadas de microondas, que se repetían sin alimentación externa de energía. Los modelos posteriores mostraron que los espines dentro del diamante intercambian energía entre sí, lo que conduce a repetidas emisiones de radiación. Gracias a este proceso, denominado maser superradiativo autoinducido, el sistema comenzó a funcionar de manera autónoma.

Normalmente, tales interacciones se consideran una fuente de ruido y pérdidas, pero aquí, por el contrario, favorecieron la organización de los espines y la creación de una señal estable. Ese es el resultado clave del trabajo: la transformación del caos en un orden interno capaz de sostener la radiación cuántica.

Esas señales podrían emplearse en ámbitos muy diversos, desde relojes atómicos y sistemas de navegación hasta radares y equipos de telecomunicaciones. Además, el desarrollo podría aumentar la sensibilidad de sensores cuánticos aplicados en medicina, ciencia de materiales y vigilancia ambiental.

El estudio publicado en la revista Nature Physics.