Los acontecimientos que tienen lugar dentro de los átomos se producen a velocidades que normalmente son demasiado rápidas para ser capturados. Recientemente, unos investigadores del Centro de Investigación de Almaden de IBM han desarrollado una técnica que les permite ver estas acciones atómicas con una resolución sin precedentes.

Los investigadores usaron la técnica para darle la vuelta a la orientación del espín de un átomo, una propiedad cuántica fundamental, y seguidamente medir el tiempo que el átomo “recordaba" este estado antes de regresar a su estado de espín natural. Éste es un primer paso hacia el desarrollo de una especie de memoria de ordenadores que funciona en la escala atómica, y la técnica también podría ser utilizada por los científicos de materiales para realizar la investigación básica necesaria para desarrollar materiales solares orgánicos más eficientes.

Influir y medir el estado de espín de un átomo es una manera de obtener un bit cuántico, o qubit, que a la vez puede servir como un 1 y un 0 en un ordenador cuántico. Ya era posible realizar una medición estática del espín de un átomo, pero hasta recientemente no ha sido posible observar el cambio de espín de un átomo en el tiempo.

Un equipo de investigadores del Laboratorio IBM con sede en San José, California, dirigido por Don Eigler y Andreas Heinrich, fue capaz de ver como los espines atómicos se daban la vuelta, o "se relajaban", a lo largo del tiempo utilizando un microscopio de efecto túnel, o STM, modificado--un instrumento inventado en 1981 por unos investigadores de IBM. Ellos capturaron las imágenes del estado del átomo cada cinco nanosegundos--un millón de veces más rápido que lo conseguido anteriormente.

Los investigadores de IBM encontraron que un único átomo de hierro puede almacenar información magnética en forma de espín durante alrededor de un nanosegundo. Sin embargo, cuando el átomo de hierro se encuentra cerca de un átomo de cobre, su memoria cuántica es prolongada, de forma que se necesitan alrededor de 200 nanosegundos para que vuelva a relajarse. Los resultados fueron publicados la semana pasada en la revista Science.

"La información se descompone en 200 nanosegundos, pero eso es mucho tiempo", afirma Sebastián Loth, miembro del equipo de investigación. "Los procesadores actuales realizan varios cientos de ciclos de cálculos en este tiempo."

Cuando la punta de un STM se acerca mucho a una superficie, puede fluir una corriente eléctrica entre los átomos de la superficie y la punta. Al moverse sobre una superficie, el microscopio puede generar una imagen de ella. Además, al analizar el flujo de corriente, se puede obtener información sobre el estado magnético del átomo, incluyendo su espín.

Para mejorar la resolución temporal del STM, los investigadores modificaron la punta de manera que no sólo midiera la corriente eléctrica, sino que también la suministrara. Alimentaron a un átomo con corriente eléctrica y midieron su estado después de un período fijo de tiempo. Para cada período de tiempo, realizaron 100.000 mediciones. Fueron variando el tiempo entre los pulsos y las mediciones, repitiendo el proceso una y otra vez. Las imágenes de cada medición fueron combinadas como fotogramas de un vídeo. Al poner todos estos fotogramas juntos, los investigadores crearon una imagen en movimiento del estado de espín del átomo, con una imagen tomada aproximadamente cada cinco nanosegundos.

Loth indica que los investigadores de IBM esperan usar la rápida técnica de STM para dos áreas básicas de investigación. En primer lugar, van a seguir utilizándola para determinar si distintas combinaciones de átomos pueden almacenar información cuántica durante más tiempo. En segundo lugar, utilizando como señal de pulso una corriente de fotones en lugar de una corriente de electrones, comenta Loth, los investigadores esperan obtener una mejor comprensión de cómo algunas moléculas orgánicas convierten la luz en energía eléctrica. Esto podría llevar al desarrollo de unas mejores células solares.

Systems like IBM's for flipping and measuring atomic spins could potentially be part of a future quantum computer, says Alán Aspuru-Guzik, professor of chemistry and chemical biology at Harvard University. Altering and measuring the spin of atoms, and being able to predict how atoms will behave, is an important step towards this goal, he says. Most of the devices that have been made so far, he says, are more like "quantum toys" than computers. But the field is moving steadily forward, he says. "Every week someone demonstrates manipulating the qubit a little better."

Los sistemas como el de IBM para darle la vuelta y medir el espín de un átomo podrían potencialmente ser parte de un futuro ordenador cuántico, señala Alán Aspuru-Guzik, profesor de química y biología química de la Universidad de Harvard. La alteración y medición del espín de los átomos, y la capaz de predecir cómo se comportarán éstos, es un paso importante hacia este objetivo, afirma él. La mayoría de los dispositivos que se han hecho hasta el momento, indica él, son más bien "juguetes cuánticos" que ordenadores. Sin embargo, el campo se está moviendo constantemente hacia adelante, destaca Alán. "Cada semana alguien demuestra que puede manipular el qubit un poco mejor."