Primera comunicación sonora entre humanos y un átomo

Los científicos conocen relativamente bien la interacción entre los átomos y la luz, en concreto con los fotones, las partículas asociadas a los fenómenos cuánticos del electromagnetismo.

Ahora, expertos de la Universidad Tecnológica Chalmers (Suecia) han conseguido una interacción similar pero con fonones, es decir, mediante ondas de sonido acopladas a un átomo artificial.

"Hemos abierto una nueva puerta en el mundo cuántico hablando y escuchando a los átomos", explica Per Delsing, jefe del equipo, quien aclara: "Nuestro objetivo a largo plazo consiste en aprovechar las leyes de la física cuántica para, por ejemplo, construir ordenadores muy rápidos. Esto lo hacemos fabricando circuitos eléctricos que obedezcan a leyes cuánticas, que podemos controlar y estudiar".

El átomo artificial que han creado, informa Sinc, es un ejemplo de este tipo de circuitos cuánticos, que se pueden cargar de energía y emitir partículas, pero en lugar de ser en forma de luz como las que emiten los átomos habituales, se hace en forma de sonido. Las vibraciones viajan por la superficie de un sólido y un micrófono especial las puede detectar.

"De acuerdo a la teoría, el sonido de los átomos se divide en partículas cuánticas", dice Martin Gustafsson, primer autor del artículo. "Y estas partículas son el sonido más débil que puede ser detectado".

Según los investigadores, que publican su trabajo en la revista Science, como el sonido se mueve mucho más lento que la luz, el átomo acústico abre muchas posibilidades para controlar mejor los fenómenos cuánticos. "Debido a la lenta velocidad del sonido, tendremos tiempo para controlar las partículas cuánticas mientras viajan", explica Gustafsson. "Esto es difícil de lograr con la luz, que se mueve 100.000 veces más rápido".

La baja velocidad del sonido también implica que tiene una longitud de onda corta en comparación con la luz. Un átomo que interactúa con las ondas de luz es siempre mucho más pequeño que la longitud de onda de éstas. Sin embargo, en comparación con la longitud de onda del sonido, el átomo puede ser mucho mayor, lo que significa que sus propiedades se pueden controlar mejor. Por ejemplo, se puede diseñar el átomo para que se acople sólo a ciertas frecuencias acústicas o hacer la interacción con un sonido extremadamente fuerte.

Frecuencias accesibles

La frecuencia utilizada en el experimento ha sido de 4,8 gigahercios, próxima a las frecuencias de microondas comunes en redes inalámbricas modernas.

En términos musicales, esto corresponde a unas 20 octavas por encima de la nota más alta en un piano de cola. En estas altas frecuencias, la longitud de onda del sonido llega a ser lo suficientemente corta como para ser guiada a lo largo de la superficie de un microchip.

En el mismo chip es donde los investigadores han colocado el átomo artificial, que mide unos 0,01 milímetros de largo y está fabricado con el material superconductor.

El sustrato del conjunto está hecho de arseniuro de galio (GaAs) y contiene dos partes. Una es el propio átomo que actúa como circuito superconductor -circuitos de este tipo se usan como qubits, los bloques de construcción de los ordenadores cuánticos-. El otro componente es un transductor interdigital, que convierte microondas eléctricas a sonido y viceversa.

El sonido utilizado en el experimento tiene la forma de ondas acústicas de superficie (SAW, por sus siglas en inglés) y son las que aparecen como ondulaciones en la superficie del sólido.

Todos los experimentos se llevan a cabo a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto (20 milikelvines), de modo que la energía en forma de calor no perturbe al átomo.

Referencia bibliográfica:

Martin V. Gustafsson et al.: Propagating phonons coupled to an artificial atom. Science (2014). DOI: 10.1126/science.1257219.