En los últimos años, la comunidad de físicos se han dedicado a explorar el potencial de una nueva clase de materiales conocidos como metamateriales. Estos compuestos se basan en patrones repetidos de estructuras de tamaño inferior a la longitud de onda con la que se va a trabajar y que interactúan con los fotones, guiándolos en formas que son imposibles con los materiales naturales.

Los primeros metamateriales se construyeron con resonadores de aro partido (piezas de metal en forma de C) del tamaño de una moneda de dos éntimos de euro que se diseñaron para interactuar con microondas cuya longitud de onda era de unos pocos centímetros. Estos metamateriales tenían propiedades exóticas como un índice refractivo negativo que podía doblar la luz en el sentido contrario.

Pero estaban lejos de ser perfectos, en parte porque los resonadores de aro partido producían pérdidas debido a su resistencia interna.

No hace falta tener demasiada imaginación para pensar en una solución a este problema: usar resonadores superconductores de resistencia interna nula. En teoría es una buena idea, en la práctica, sin embargo, supone desafío grandísimo. Aparte de la dificultad evidente de operar a temperaturas superconductoras justo por encima del cero absoluto, el principal problema es que los resonadores superconductores son dispositivos cuánticos con propiedades cuánticas extrañas frágiles y difíciles de manejar.

En concreto, estas propiedades tienen una sensibilidad exponencial a la forma física del resonador. Así, diferencias mínimas entre un resonador y el siguiente pueden conducir a diferencias inmensas en su frecuencia de resonancia.

Y, puesto que los metamateriales son secuencias periódicas de estructuras con propiedades idénticas, esto supone un problema. Precisamente por este motivo nadie ha construido jamás un metamaterial cuántico.

Esta semana las cosas han cambiado gracias al trabajo del investigador del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (Alemania) Pascal Macha y algunos compañeros. Este equipo han construido y probado el primer metamaterial cuántico, basado en una serie de 20 circuitos cuánticos superconductores incrustados en un resonador de microondas.

Este experimento representa un desafío significativo. Los investigadores construyeron sus circuitos cuánticos con aluminio en un resonador de niobio, que hicieron funcionar a una temperatura inferior a los 20 millikelvin (cerca de los -273 ºC).

El éxito logrado se debe a dos factores: el primero, fue minimizar las diferencias entre cada circuito cuántico para que hubiera una diferencia menor al 5% en la corriente que pasa por cada uno; el segundo consistió en un diseño ingenioso. Un circuito cuántico influye en el fotón entrante al interactuar con él. Para hacerlo como grupo, los circuitos cuánticos también deben interactuar entre sí.

El problema en el pasado ha sido que los físicos colocaban los circuitos en series para que el estado combinado tuviera que ser una superposición de los estados de todos los circuitos. Así, con que hubiera un solo circuito fuera de lugar, todo el experimento fallaba.

Macha y sus compañeros sortearon el problema incrustando los circuitos cuánticos dentro de un resonador de microondas, una cámara del tamaño de una longitud de onda en la que se quedan atrapadas las microondas.

Para interactuar con un fotón, cada circuito cuántico solo necesita emparejarse con el propio resonador y su vecino más cercano. Algo que es mucho más fácil de hacer con un gran conjunto de circuitos cuánticos. Los resultados demuestran que funcionó, al menos en parte.

La interacción con los circuitos cuánticos cambia la fase de los fotones salientes en formas sutiles pero medibles. Al estudiar este cambio, Macha y compañía pudieron averiguar exactamente qué clase de interacción tenía lugar.

Lo que vieron fue que ocho de los circuitos formaron un grupo coherente que influía en los fotones. Pero a lo largo del tiempo este se disoció en dos grupos separados de cuatro circuitos cuánticos cada uno.

Así surge la tentadora pregunta de por qué el conjunto grande se disoció en dos más pequeños, algo que seguro que investigarán Macha y compañía en trabajos futuros.

Estos resultados también ofrecen la perspectiva de una nueva generación de dispositivos. "Los circuitos cuánticos, basados en este experimento de prueba de principio, ofrecen una amplia gama de perspectivas, desde la detección de fotones de microonda única a cambios de fases, la birrefringencia cuántica y transiciones de fase superradiante", afirma Macha. En resumen, un primer paso significativo para los metamateriales cuánticos.

Ref: http://arxiv.org/abs/1309.5268: Puesta en Marcha de un Metamaterial Cuántico