La mecánica cuántica controla la realidad en los niveles más pequeños, pero cuando se amplía, a menudo es difícil evaluar cómo y por qué este ámbito es importante en el mundo práctico. Dicho esto, en ocasiones los físicos descubren un uso extrañamente práctico para espeluznantes fenómenos cuánticos y, cuando lo hacen, la tecnología suele ser la mayor beneficiada. Tal es el caso de un nuevo hallazgo relacionado con la superradiancia, un aspecto de la mecánica cuántica que tradicionalmente ha dado lugar a más dolores de cabeza que soluciones.
La superradiancia es un fenómeno en el que un grupo de partículas cuánticas colaboran para producir señales significativamente más fuertes. Sigue siendo una grave molestia para algunos físicos, ya que el fenómeno puede desestabilizar rápidamente los sistemas cuánticos y, por extensión, el funcionamiento de tecnologías cuánticas clave.
Sin embargo, investigadores de Austria y Japón idearon un método novedoso para aprovechar la superradiancia para producir señales de microondas potentes y duraderas. El equipo informó sus resultados hoy en Física de la naturaleza. El equipo señala que el descubrimiento allana el camino para avances tecnológicos en medicina, navegación y comunicación cuántica, según un declaración.
“Este descubrimiento cambia nuestra forma de pensar sobre el mundo cuántico”, dijo en el comunicado Kae Nemoto, coautor del estudio y físico del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), en Japón. “Ese cambio abre direcciones completamente nuevas para las tecnologías cuánticas”.
Trabajo en equipo cuántico cuestionable
El físico Robert Dicke propuso la concept de superradiancia en 1954. Desde entonces, los físicos han identificado e incluso utilizado la superradiancia para una variedad de sistemas, incluidos semiconductores, láseres de rayos X experimentalese incluso para explicar el caos cerca de las rápidas ráfagas de radio y agujeros negros.
La superradiancia suele ocurrir cuando un grupo de átomos excitados se entrelazan después de interactuar con una fuente de luz. Esto produce un estallido de luz breve, pero intenso, que emite sustancialmente más energía del sistema que si una sola partícula rebotara por sí sola.
Orden del caos
Para el experimento, los investigadores atraparon pequeños defectos atómicos dentro de una cavidad de microondas. Las cavidades contenían pequeñas cámaras con espines de electrones, que servían como “imanes en miniatura” para representar diferentes estados cuánticos. Luego, observaron cómo el sistema cambiaba con el tiempo, aplicando los datos a extensas simulaciones por computadora para describir mejor la física en funcionamiento.
Los investigadores notaron un extraño “tren de pulsos de microondas estrechos y de larga duración” que seguía a una explosión superradiante, que investigaron más a fondo en sus simulaciones. Descubrieron que, sorprendentemente, las “interacciones aparentemente confusas entre los espines en realidad alimentan la emisión”, dijo en el comunicado Wenzel Kersten, autor principal del estudio y físico de la Universidad Tecnológica de Viena en Austria.
“El sistema se organiza a sí mismo, produciendo una señal de microondas extremadamente coherente a partir del mismo desorden que normalmente lo destruye”, añadió Kersten.
Una inversión de conceptos
Debido a que la superrradiación libera tanta energía, los científicos han sospechado durante mucho tiempo (y en parte lo han confirmado mediante experimentos) que crea desafíos técnicos para la tecnología cuántica.
El nuevo estudio reemplaza esta visión, sugiriendo en cambio que, con el enfoque correcto, la próxima generación de tecnologías cuánticas podría beneficiarse de las “mismas interacciones que alguna vez se pensó que alteraban el comportamiento cuántico”, dijo Nemoto.
Por ejemplo, la señal de microondas fuerte y autosostenida podría ayudar a operar relojes, enlaces de comunicación y sistemas de navegación ultraprecisos. Estas señales también son muy sensibles a los más mínimos cambios en los campos magnéticos o eléctricos, una característica con aplicaciones potenciales para una gran variedad de dispositivos.
