Meta charla: descubren a dos átomos “hablando” entre ellos

Un equipo de físicos de Alemania y Países Bajos colocó recientemente un grupo de átomos de titanio bajo un microscopio de efecto túnel. Esos átomos estaban interaccionando de forma constante y silenciosa entre sí a través de la dirección de sus espines. De forma casi prodigiosa, los investigadores fueron capaces de concentrarse en un solo par de átomos, y luego conectaron uno de ellos a una corriente eléctrica para cambiar su espín. Luego midieron la reacción de su compañero.

Cuando dos átomos tienen espines que son interdependientes, se considera que tienen un entrelazamiento cuántico. Este entrelazamiento se traduce en que el comportamiento de un átomo tiene un impacto directo sobre el otro, y la teoría dice que esto debería seguir siendo cierto incluso cuando están separados por grandes distancias. En este caso, los átomos de titanio estaban separados por poco más de un nanómetro (una millonésima de milímetro), lo suficientemente cerca para que las dos partículas interactuasen entre sí, pero lo suficientemente lejos como para que los instrumentos del equipo pudiesen detectar la interacción.

“El hallazgo principal ha sido que hemos podido observar cómo los espines atómicos se comportan con el tiempo como resultado de su interacción mutua”, dijo el coautor Sander Otte, físico cuántico del Instituto Kavli de Nanociencia. Otte explicó por correo electrónico que los científicos anteriormente habían podido medir la fuerza de varios espines atómicos y la influencia de esa fuerza en el nivel de energía del átomo. Pero este experimento les permitió observar esa interacción a lo largo del tiempo.

Una gran esperanza de la física experimental es que algún día los investigadores podrán simular interacciones cuánticas a voluntad, ajustando un sistema cuántico como mejor les parezca y observando cómo se desarrolla la mecánica cuántica. Los investigadores, en efecto, hicieron eso, desencadenando una acción específica en un átomo y observando cómo reaccionaba el átomo que estaba a su lado.

“Esta es una demostración genial de un ‘simulador cuántico’ muy simple”, dijo Ella Lachman, física cuántica de la Universidad de Berkeley que no participó en el nuevo estudio. “Al controlar las posiciones de los átomos, teóricamente podemos construir una réplica de una red o de cualquier sistema del que queramos estudiar la dinámica”.

El equipo eligió trabajar con átomos de titanio porque tienen la menor cantidad de opciones posibles para su espín: o hacia arriba o hacia abajo. Los átomos de titanio fueron unidos a una superficie de óxido de magnesio, manteniéndolos en su lugar para su inspección. Atrapados sobre esa superficie, se mantenían casi en vacío a solo 1 grado Kelvin (-457.87 Fahrenheit), y los físicos podrían seleccionar individualmente los átomos bajo la punta del microscopio. Después, podían revertir los espines del átomo golpeando un átomo en pareja con un pulso eléctrico, lo que provocaba una reacción inmediata en su vecino. Estas reacciones son predecibles, dijo Otte, a través de las leyes de la mecánica cuántica. (Si alguien dice “toc toc”, puedes estar seguro de que la siguiente partícula responderá “¿Quién es?”) El proceso completo tomó alrededor de 15 nanosegundos, o 15.000 millonésimas de segundo. Su investigación se publicó en Science.

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