Diamantes entregados a la física cuántica

De Beers, la famosa empresa minera y comercializadora de diamantes, lleva algún tiempo en problemas. La competencia de los diamantes sintéticos, producidos principalmente en China, ha reducido significativamente la demanda de diamantes “naturales” y las joyas que los contienen generalmente atraen menos interés. Para intentar diferenciar su oferta, De Beers ha optado por centrarse en otro segmento del mercado: el de los sensores de muy alta precisión que aprovechan los principios de la física cuántica.

A través de su filial británica Element Six, De Beers desarrolla y produce diamantes sintéticos “perfectamente imperfectos” para impulsar un sector tecnológico prometedor que algún día podría revolucionar muchas aplicaciones, desde la medicina hasta los sistemas de navegación. Para producir estos sensores se necesitan diamantes con una imperfección microscópica en su interior. Los sistemas experimentales utilizados hasta ahora han dado resultados significativos y podrían brindar a De Beers y a otros productores de diamantes la oportunidad de seguir siendo relevantes en el mercado.

En general, un sensor cuántico es un dispositivo que aprovecha fenómenos particulares de la física cuántica (como las propiedades especiales de los electrones) para medir con alta precisión cantidades muy pequeñas o débiles, que con los métodos tradicionales serían difíciles, si no imposibles, de detectar debido a los límites de sensibilidad de los instrumentos.

Existen diferentes tipos de sensores cuánticos y los más extendidos hasta el momento deben enfriarse casi al cero absoluto (es decir, muy cerca de 0 K, equivalente a -273,15 °C) y deben utilizarse en entornos extremadamente aislados, de lo contrario pueden sufrir interferencias. Por tanto, son muy caros y, sobre todo, difíciles de transformar en sistemas que puedan utilizarse a diario, como se podría hacer con sensores obtenidos a partir de diamantes, que funcionan a temperatura ambiente y son menos sensibles a las interferencias. Son un poco menos sensibles, pero según los expertos tienen un gran potencial en muchas aplicaciones.

Actualmente, los sensores basados ​​en diamantes se utilizan principalmente en laboratorios, pero varios grupos de investigación están trabajando para comprender cómo miniaturizar e integrar esta tecnología en productos portátiles y de consumo. Su uso en laboratorio está orientado al estudio de neuronas y células en general, para verificar el funcionamiento de microchips y por supuesto para el estudio de la física cuántica, precisamente porque pueden medir los más pequeños.

Los más optimistas creen que dentro de unos años o décadas, esta nueva tecnología podría hacerse común en dispositivos médicos portátiles, en diversos sensores ambientales e incluso en la creación de sistemas de navegación alternativos a los por satélite, basados ​​en la detección de variaciones de los campos magnéticos respecto al terrestre.

como funciona
Para comprender cómo funcionan estos sensores, es necesario un breve viaje a la estructura atómica de los diamantes. Un diamante es un cristal compuesto de átomos de carbono dispuestos en una red tridimensional rígida y ordenada. Es precisamente esta estructura la que hace del diamante uno de los materiales más duros que se conocen, pero la red no siempre es perfecta.

A veces, durante la formación de cristales, un átomo de carbono es reemplazado por un intruso, como un átomo de nitrógeno, silicio o boro. A escala atómica, estas anomalías se denominan “centros de color” porque son responsables de las tonalidades que pueden adoptar los diamantes. Si hay mucho nitrógeno por ejemplo, la gema tiene un color amarillo pajizo y esto puede afectar el valor que se le asigna (generalmente cuanto más puro es un diamante, mayor es su valor).

Existen diferentes tipos de centros de color, pero el de interés para aplicaciones cuánticas es el llamado “centro de agujero de nitrógeno” o NV, del símbolo del nitrógeno N y la primera letra de la palabra inglesa “vacancy”. El centro NV es un defecto específico dentro de la red del diamante y mide menos de un nanómetro, o una millonésima de milímetro. Como su nombre indica, está formado por un átomo de nitrógeno que ha sustituido a un átomo de carbono y una zona adyacente que permanece vacía, es decir sin un átomo de carbono en la red que forma el diamante.

NV se comporta como una especie de átomo en sí mismo que puede existir en diferentes estados de carga: positivo, negativo o neutro. La versión que interesa a los físicos cuánticos es la versión NV negativa^–lo cual sucede cuando el centro del agujero de nitrógeno captura un electrón más de los que ya tiene (el electrón es una partícula subatómica con carga negativa).

Diamantes con NV^– se producen en laboratorios, como los de Element Six, introduciendo átomos de nitrógeno en la red de diamante sintetizada y asegurándose de que luego se ordenen de la forma deseada. Este es un proceso que requiere alta precisión e instrumentos calibrados para operar a escala atómica, por lo que actualmente lo llevan a cabo algunas empresas en todo el mundo. Deben crear un defecto con extrema precisión.

Una vez que obtengas el diamante con NV^–Pasamos a su uso explotando una característica fundamental del electrón: su “espín”. No es fácil tener una idea de qué es el spin, porque no hay nada adecuado en nuestra experiencia observable cotidiana para hacer una comparación exactamente relevante. El espín es una condición intrínseca de una partícula como el electrón, es decir una de sus características como masa y su carga eléctrica, que como hemos visto es negativa. El espín todavía está allí y no se puede quitar del electrón ni desactivarlo de ninguna manera.

El nombre, que deriva de los primeros descubrimientos sobre esta característica, es engañoso porque “spin” en inglés significa literalmente “girar”, pero el electrón no gira sobre sí mismo como una peonza. Se puede pensar en un electrón como un pequeño imán con un polo norte y un polo sur, que por tanto reacciona a campos magnéticos externos, de forma muy parecida a lo que hace la aguja de una brújula cuando acercamos un imán a ella y se reorienta según este campo magnético, que reemplaza al de la Tierra hacia el que se orienta naturalmente la aguja.

El espín del electrón está “cuantizado”, lo que significa que sólo puede estar en estados de energía bien definidos y no en posiciones intermedias (convencionalmente, los estados se definen como Arriba Y Abajo). Aunque esto elimina varios detalles, y en física los detalles lo son todo, podemos considerar el espín como una especie de brújula interna de electrones, que sólo puede apuntar hacia el Norte o el Sur, sin posibilidad de encontrar un término medio. Se ve afectado por los campos magnéticos que lo rodean, por lo que si el giro se midió en una dirección y después de estar cerca de algo la dirección cambia, se puede entender a qué campo magnético estuvo expuesto. Este claro cambio da la posibilidad de tener una medición muy precisa y esto nos devuelve a los diamantes centrales NV.^–.

Sistema láser para probar centros NV^– (Wikimedia)

Si se envía un pulso de luz láser verde al centro NV^–este absorbe la luz y pasa a un estado de mayor energía, luego de un tiempo vuelve a su estado original y, al hacerlo, emite luz roja. Esta emisión depende de la rotación y puede ser más o menos intensa. Midiendolo se puede entender en qué estado se encuentra el espín. Es decir, con este sistema se puede leer el estado cuántico de forma sencilla y directa y convertir el sistema en un sensor.

En la práctica, se envía un primer pulso de luz láser verde hacia el diamante, para saber cuál es el giro del centro NV.^– basado en la luz roja que emite en respuesta. Este paso equivale a poner a cero un instrumento antes de usarlo, muy parecido a lo que se hace con una báscula cuando la configura para tara. De este modo, el diamante se acerca a lo que queremos estudiar, por ejemplo, el campo magnético muy débil de una célula o un objeto que sufre pequeñas variaciones de temperatura. El campo magnético externo de lo que se quiere medir cambia el giro del NV^–que como hemos visto se comporta como una pequeña brújula.

Para ver cómo cambió esto, simplemente envíe un nuevo pulso láser (con microondas para aumentar la rotación) y mida la cantidad de luz roja emitida en respuesta. A partir de la variación entre la medición anterior y ésta se puede calcular la evolución de la rotación. A través de ecuaciones y cálculos podemos finalmente obtener un número preciso que indica, por ejemplo, la intensidad del campo magnético de la célula, y repitiendo las mediciones también podemos ver cómo este cambia con la propia actividad celular.

Los diamantes cuánticos tienen un gran potencial y están atrayendo muchas inversiones, por lo que empresas como De Beers esperan que puedan convertirse en un área útil para diferenciar las empresas y compensar la caída de la demanda. Un sensor es eterno.