Misterios Cuanticos

Conocí a Enrique del Barco hace 6 años. Era mi primera temporada en REDES y necesitaba asesoramiento para escribir un guión sobre la frontera entre el mundo clásico y el cuántico. En esa apasionante encrucijada se situaban las investigaciones de Enrique en la Universidad de Barcelona. Me explicó que estaba llegando a tales extremos de miniaturización, que a veces aparecían fenómenos cuánticos indeseados. Era un problema, pero… ¿se podría convertir en una ventaja? ¿Se podrían llegar a construir nanoestructuras que aprovecharan estas propiedades cuánticas y pudieran superar los límites que impone la física clásica? Hablamos largo y tendido de ordenadores cuánticos, criptografía, nanociencia, imanes moleculares, y del nada intuitivo comportamiento de los átomos. Ahora Enrique dirige su propio laboratorio en Orlando (Florida), desde donde nos explica sus estudios, nos comenta en primera persona el artículo que ayer mismo publicó en Nature Physics, y se ofrece a intentar responder nuestras preguntas más básicas, retorcidas o fantasiosas sobre el increíble pero cierto mundo de la mecánica cuántica. Patinando entre brújulas moleculares, por Enrique del Barco ¿Quién eres? Me llamo Enrique del Barco y soy profesor en el departamento de física de la Universidad Central de Florida, en Orlando. Allí puedo hacer lo que realmente me gusta; investigación científica. Me preparé para esto durante mi doctorado en la Universidad de Barcelona, bajo la dirección de Javier Tejada, y un postdoc en la Universidad de Nueva York (NYU). ¿Qué quieres averiguar? Mis intereses actuales se focalizan en investigación básica en nanociencia. Estoy convencido de que la nanociencia dará lugar a una nueva revolución tecnológica equiparable a la revolución industrial y de consecuencias similares a la aparición del ordenador personal. La nanociencia se encarga del estudio de los objetos de tamaño nanométrico (sistemas mesoscópicos), es decir, del orden de una millonésima parte de milímetro (diez veces más grande que el tamaño de un átomo). El estudio de estos sistemas tan pequeños es fascinante porque no se comportan como los grandes. De hecho, se suelen comportar de una manera totalmente diferente e insospechada por nuestra experiencia. Lo explicaré con un ejemplo magnético que quizás sea más fácil de entender. Cojamos una brújula. Se trata de un imán cuyos polos norte y sur están bien definidos y se orienta en la dirección del campo magnético terrestre. Una vez con la brújula en la mano la hacemos más y más pequeña y la usamos para grabar información, por ejemplo, una canción en una cinta magnetofónica. Esto lo hacemos disponiendo las brújulas a lo largo de la cinta de grabación con una sucesión definida de orientaciones de sus polos magnéticos. Si la brújula tiene el norte arriba es un 1 si lo tiene abajo es un 0. Ya tenemos nuestro substrato de grabación. Pero ahora queremos que en el mismo tamaño de cinta nos quepa toda la discografía de Joaquín Sabina. ¿Qué tenemos que hacer? Disminuir el tamaño de las brújulas para que quepan más en la cinta y podamos escribir más ceros y unos. La pregunta es: ¿Hay un límite? ¿Podemos disminuir tanto como queramos el tamaño de nuestras brújulas? La respuesta es negativa. Todos hemos experimentado el deterioro de calidad de una cinta magnetofónica y eso es porque si se da cierta energía, por ejemplo al incrementar la temperatura de una cinta expuesta al sol en el coche, la brújula puede rotar sus polos y hacer que se pierda la información almacenada. La probabilidad de que esto suceda es mayor cuanto menor es la brújula. Una posible solución sería bajar la temperatura para preservar la información. Esto en principio funciona, en ausencia de energía las brújulas no podrán cambiar la orientación de sus polos así que ahora ya podemos disminuir su tamaño. Pero enseguida llegamos a otro límite. Cuando la brújula es de tamaño nanométrico la orientación de sus polos puede cambiar súbitamente incluso en ausencia total de energía. Esto es debido a las propiedades cuánticas de la materia que sólo se manifiestan cuando el tamaño del sistema deviene suficientemente pequeño. Y esto, definitivamente, no tiene solución. La física cuántica impone un rígido límite a la máxima densidad de información que podemos almacenar clásicamente en un espacio determinado. Debido a que las demandas informáticas y electrónicas actuales están llegando a este límite, los tecnólogos piden soluciones imaginativas al problema. Estas soluciones han sido ya sugeridas. De hecho, se sabe que las propiedades cuánticas de los nano-materiales, lejos de ser un problema, pueden suponer una revolución sin precedentes. Se trata, simplemente, de aprender a utilizar estas curiosas propiedades en beneficio nuestro. En el ejemplo expuesto, las propiedades de una brújula cuántica no sólo aumentarán la capacidad de información considerablemente sino que permitirán la construcción de ordenadores cuánticos infinitamente más rápidos que los actuales. Es precisamente en la frontera que separa los mundos clásico (grande) y cuántico (pequeño) donde se centra mi interés científico. Quiero entender los mecanismos que rigen el comportamiento cuántico de los materiales —cuándo actúan, por qué aparecen y qué los condiciona— y cómo estas propiedades únicas pueden ser utilizadas en nuestro provecho en un futuro más o menos cercano. ¿Cómo pretendes averiguarlo? En mi caso, para entender lo que ocurre en la frontera clásico/cuántica estudio moléculas magnéticas (pequeñas brújulas moleculares). Los imanes moleculares permiten el uso de ingeniería inorgánica para la confección de prototipos magnéticos de diferentes tamaños que puedan cruzar la frontera desde el mundo mesoscópico al macroscópico. Y, ¿cómo hago esto? Sencillo, llamo a mis colaboradores químicos y les pido moléculas a la carta. “Mira, Eugenio, Quiero una molécula de unos tres nanómetros que tenga geometría esférica y que se adhiera a una superficie de oro, que quiero hacer pruebas de corriente electrica”. Y ellos me envían algo que se le parece y que normalmente resulta mejor de lo que había pedido en un principio. Resulta que ciertas moléculas magnéticas, conocidas como nanoimanes o clusters moleculares (en la figura se muestran varias de estas moléculas, comparables en tamaño, 1-5 nanómetros, a nanopartículas magnéticas como el FePt) presentan características asombrosas a baja temperatura, que permiten un estudio exhaustivo del comportamiento cuántico de materiales magnéticos mesoscópicos que antes de su aparición sólo la teoría más básica podía imaginar. Y entre estas propiedades se encuentra el intercambio de los polos magnéticos del nanoimán por efecto túnel. Es decir, tenemos a disposición nano-brújulas en el límite de tamaño para el almacenamiento de información que discutía antes y se presentan como excelentes candidatos para futuras tecnologías de información y computación cuántica. Barra libre Para estudiar su comportamiento necesito muy bajas temperaturas, por lo que los gastos de investigación se disparan. Por ejemplo, un solo criostato de mi laboratorio consume una media de 1.000 dólares a la semana en helio líquido, a lo que hay que sumarle otra infinidad de gastos que no quiero ni pensar ahora. Los gastos de operación sumados al costo del instrumental necesario hace que investigadores jóvenes sólo puedan acceder a éste tipo de experimentación en países como Estados Unidos, que invierten grandes cantidades de dinero en esta dirección y cuyas dinámica universitaria está perfectamente entrenada para promover nuevas iniciativas (que suele ser el caso de los más jóvenes), justo lo contrario a lo que ocurre en España, desgraciadamente. Para poner un dato encima de la mesa, la UCF me concedió un millón de dólares para montar mi laboratorio, algo que cuando lo cuento en España da la risa. Pero volvamos a la parte divertida. Acaba de salir publicado en Nature Physics un artículo nuestro en el que mostramos una manifestación completamente novedosa de la mecánica cuántica más elemental. Se trata de un nuevo nanoimán molecular que tiene forma de anillo. La parte interesante es que sus dos mitades (señaladas en verde y amarillo en la imagen) “tunelean” al unísono, como si se tratase de una pareja de patinaje artístico sobre hielo, con la particularidad de que, bajo ciertas condiciones, las “trayectorias túnel” de ambos semi-anillos interfieren destructivamente y el efecto túnel desaparece. Algo así como la interferencia destructiva entre dos ondas de agua, cuando se encuentran los valles de una con las crestas de la otra la onda se desvanece. Un fenómeno que también sucede entre dos ondas de luz, que al juntarse pueden dar lugar a oscuridad. En nuestro caso, este fenómeno tiene un origen topológico (de forma) y es conocido como fase de Berry (en honor al matemático británico Michael Berry que la propuso, que por cierto nos visita en Orlando con cierta regularidad para contarnos sus asombrosos estudios de los tsunamis, un buen tema para tu blog, Pere, por cierto). Es la primera vez que esta fenomenología se observa en un sistema de dos spines conectados que oscilan por efecto túnel. De hecho todavía no se ha desarrollado la teoría pertinente, por lo que esperamos que el artículo en Nature Physics tenga una amplia repercusión en diferentes disciplinas. En fin, podría seguir explicándoos cosas, pero quizás sería demasiada mecánica cuántica para un solo día. Un abrazo. La imagen: La siguiente imagen representa un nanoimán molecular conectando los electrodos nanométricos de un transistor monoelectrónico (por el cual la corriente eléctrica fluye electrón a electrón). La conjunción a escala nanométrica de diferentes propiedades básicas se denomina multifuncionalidad y es una de las direcciones de más adhesión en diferentes disciplinas científicas y tecnológicas. En el caso del electrón, se intenta usar su spin (propiedad magnética) y su carga (propiedad eléctrica) en ingenios nanoelectrónicos con nuevas y prometedoras aplicaciones, en lo que se ha dado a llamar spintronics. En nuestro caso, estudiamos spintronics en transistores moleculares, en los cuales, además, se utilizan las propiedades básicas (casi fantásticas) de nuestros nanoimanes moleculares para la manipulación de la corriente eléctrica en formas completamente novedosas.

Enrique del Barco

Comments

[Publicado por: I. García-Valiño]

Hola, Enrique: ¿Podemos partir un iman en un cachito tan pequeño que podamos separar los polos creando un monopolo magnético? Me parece que esta pregunta es similar a la que planteas de la brújula, pero no estoy seguro. ¿Se ha intentado romper la bipolaridad del imán? Seguro que es más fácil que romper el triplete de quarks. Un abrazo desde el sur de España.

[Publicado por: marco]

hola Enrique: bueno, queria decirte que el estudio que estas haciendo me parece muy interesante, la forma de buscar el limite clasico-cuantico de manera exprimental es realmente interesante; pero queria saber si tienes algun analisis teorio con respecto a ello, bueno yo soy un estudiante de fisica en la universidad nacional de ingenieria en lima, peru y las relaciones clasico cuanticas me han llamado bastante la atencion ojala, me ayudes un poco con esto gracias, marco

[Publicado por: Rosa M Medina Domenech]

Hola me gustaría saber, si Enrique del Barco todavía visita este blog, caules fueron las razones profesionales que le llevaron a aceptar su contrato en una universidad americana. Creo que muchas de las razones por las que se dedcide aceptar contratos en otros países tienen que ver con algunos de los déficits del sistema académicos español, pero es bueno saber si estas son las razones en biografías concretas de personas como del Barco. Saludos cordiales

[Publicado por: Pablo]

Hablando sobre la "pelicula" What the bleep do we know que es la que se refiere César he de comentar que se trata de una enorme falacia pseudocientifica y que no debe tomarse en serio. Es curioso porque empieza mas o menos bien con su descripcion hollywoodiense del mundo cuantico y acaba mezclando churros con merinas diciendo que el agua puede almacenar sentimientos, vamos, quizás por morbo se puede ver. Pero creer? ni una palabra. Agradezco al dueño del Blog su minuciosidad y pasion a la hora de tratar la ciencia. Como físico que soy no puedo mas que envidiarte y reconocer tu labor ^^-

[Publicado por: Enrique]

Cesar, pues no he visto la pelicula, pero lo intentare si puedo encontrarla en USA, asi que no te puedo decir. Ya lo siento. (estuve de viaje, por eso tarde en contestar).

[Publicado por: César]

¿Ha visto la película "¿Y tú qué sabes?", le parece seria o es más bien pura ficción?. Gracias

[Publicado por: Enrique]

Mike, perdona por la tardanza, pero he estado extremadamente liado por aquí y tus preguntas requerirían un curso completo, aunque intentaré responderte a grandes rasgos. A tu primera pregunta. Es verdad que la mecánica cuántica, explicito en el principio de incertidumbre de Heisenberg, influye una cierta aleatoriedad a un sistema clásico, por ejemplo un bit, que puede cambiar su estado súbitamente sin haber ejercido ninguna acción directa sobre él. Y, claro, si esto ocurre con más probabilidad cuanto más pequeño es el bit, entonces la mecánica cuántica supone un serio problema. Es pocas palabras, la mecánica cuántica impide la consecución de ordenadores “clásicos” si los bits son muy pequeños. Sin embrago, un ordenador cuántico funciona con qubits, bits cuánticos. Es decir, sistemas que pueden permanecer en ambos estados 0 y 1 al mismo tiempo. Y, ¿ésto cómo funciona? Esta es la pregunta clave e intentaré responderla de manera que el resto de tus preguntas queden satisfechas, ya que están todas relacionadas. Primero, cuando digo que un bit clásico cambia su estado por acción de la mecánica cuántica, lo que de verdad ocurre es que el sistema transita por efecto túnel entre el estado inicial y el final (supongamos 0 y 1, respectivamente). Pero cuidado, el efecto túnel no es más que la descripción desde nuestro punto de vista clásico de lo que ocurre en realidad, que el sistema, durante el tránsito, se encuentra en una superposición de los dos estados. En realidad, el sistema se encuentra oscilando entre los dos estados, y l probabilidad de encontrarlo en uno u otro depende del tiempo en el que se mida (y aquí entra tu gato y el colapso de la función de onda). Mientras el sistema se encuentra oscilando cuánticamente entre los dos estados, se dice que el sistema mantiene su coherencia cuántica. En principio, si el sistema se encuentra completamente aislado del entorno, su coherencia cuántica pervivirá por siempre y el sistema seguirá oscilando (seguirá en su superposición cuántica) indefinidamente. ¿Qué ocurre? Pues que los sistemas son objetos reales que interaccionan con el entrono. Imagina que tienes una peonza girando y le empiezas a dar golpecitos con el pie. Es evidente que la peonza terminará de girar antes de cuando lo haría de estar aislada. Es decir, el entorno mide a tu sistema y genera decoherencia (pérdida de coherencia). Y a esto se le asocia el colapso de la función de onda, según la interpretación de Copenague. Así que la pregunta fundamental es ¿cuánto tiempo dura la coherencia de un sistema? Y la respuesta es que depende de su grado de conexión con el entorno. Por supuesto, cuanto más grande sea el sistema, mayor será su conexión y menor será su coherencia. Por nosotros no oscilamos entre dos posiciones distintas, pero un electrón sí puede hacerlo (y de hecho utilizamos esta propiedad para fabricar microscopios de efecto túnel de alta sensibilidad). ¿Cómo funciona un ordenador cuántico? Primero, necesitamos un número de qubits que pueden ser inicializados en una superposición arbitraria de sus dos estados y que mantengan su coherencia durante todo el proceso de computación programado. Aquí reside uno de los problemas fundamentales, ya que la decoherencia limita el tiempo de operatividad a unos pocos microsegundos (en los mejores sistemas). Además, también se necesita que los qubits estén conectados entre sí para formar puertas lógicas para correr el programa de computación. Y esto es otro gran inconveniente en la práctica. Además necesitamos inicializar el sistema y leer (medir) el estado final de cada qubit, otros dos problemas fundamentales. Hay algunos sistemas que cumplen perfectamente uno o dos de los requerimientos señalados. El día que se encuentre el sistema que cubra todos los requisitos tendremos el primer ordenador cuántico. Pero tu pregunta es ¿en qué se basa y por qué es más rápido? Se basa en la utilización de la superposición de los qubits en la computación. Te pongo un ejemplo: La factorización del número 4. Un algoritmo clásico va probando con todos los números desde el 1 hasta el 4, hasta encontrar los que factorizan al número 4. Es decir, el ordenador tiene que correr cuatro veces y en cada vez los bits tienen que ser escritos en un estado diferente (0 ó 1) para formar los diferentes números. Ahora imagina el ordenador cuántico con los qubits en una superposición arbitraria de sus dos estados (0 y 1 a la vez). Como todos los números del 1 al 4 están ya escritos en los qubits, el programa sólo tiene que correr una vez para buscar el resultado final. La diferencia en la velocidad de computación es mayor cuánto mayor sea el número a factorizar. Factorizar un número grande le requeriría miles de años a un ordenador clásico, pero minutos a uno clásico. Y esto es importante, ya que basamos todos nuestros sistemas de encriptación de información en la factorización de números grandes. Acerca de los universos múltiples, creo que son teorías muy especulativas (estrictamente matemáticas), que no pueden ser corroboradas en el laboratorio. En mi humilde opinión, me parece el enésimo intento de explicar los principios básicos de la mecánica cuántica (empezó con la negativa de Einstein y sus disputas con Niels Bohr) desde una mentalidad clásica. Auque no deja de ser curioso que la posibilidad de que a cada instante se genere un universo paralelo sea un concepto para el que la gente no tiene problemas en aceptar. En fin, yo soy “copenaguista” aunque siempre abierto a nuevas interpretaciones y descubrimientos, por supuesto. Espero que te haya ayudado. Me he enrollado muchísimo. Un abrazo. Enrique

[Publicado por: Mike san]

Hola Enrique, Viendo tu pedagógica explicación de los fenómenos cuánticos, siempre difíciles de entender, me atrevo a pedirte que entres un poco más en profundidad en dos temas, brevemente, si puedes. 1-Me da la sensación que, a escala cuántica, la incertidumbre debería ocasionar pérdidas de información más que mejorar su procesamiento. A grandes rasgos, ¿en qué se basará el futuro ordenador cuántico? ¿Qué propiedad es la que se aprovecha para mejorar su minituarización y velocidad? 2-Para un investigador experimental que trabaja entre el mundo macroscópico y el cuántico, debes haber "abierto muchas veces la caja y haber observado si el gato (de Schrondinger) está vivo o muerto". ¿qué interpretación le das tu al acto de observar? ¿Crees que colapsas funciones de onda o en cambio escindes el universo en diferentes realidades? Cordial saludo

[Publicado por: Enrique]

Vicky, no creo que la interferencia cuántica pueda usarse en un edificio, pero sería fantástico que se contruyera un rascacielos blanco con patines, para poder moverlo de pais a pais, a ver si el asombro cura la intolerancia que desintegra el mundo.

[Publicado por: vicky]

hola enrique: da gusto saber de tu profesión y de tus logros. enhorabuena.Como arquitecto que soy, te sugiero, ¿habría algún modo de relacionar esa teoría patinadora que anotas con, por ejemplo, la construcción de un rascacielos? by the way, when could we read your next book? a million of kisses Tu espíritu paralelo. Vicky

[Publicado por: Josep Asenjo]

Felicidades Enrique por tu articulo en el Nature Physics, y por todo lo que estas consiguiendo desde la lejanía!!! Conocí a Enrique durante mis estudios de Física en la Universidad de Barcelona y posteriormente durante un período de investigación en el grupo del Dr. Javier Tejada. Aunque yo me decante después por la física médica, Enrique continuó su meteórica carrera investigadora hasta llegar donde ha llegado y dándo la sensación de que por el momento le queda mucho para "tocar techo". Rápidamente congeniamos y a día de hoy puedo decir que es verdaderamente posible tener a tu mejor amigo a 8.000 km de distancia. Aquí, se te echa de menos, a ti y a tu familia. Besos a Elena y Alba, abrazos para Ivan y para ti. Josep Asenjo