Escuchan el sonido de un átomo

Un átomo artificial genera ondas de sonido que se transmiten
por la superficie de un sólido hasta llegar al micrófono

Investigadores de la Universidad Tecnológica Chalmers (Suecia) han fabricado un átomo artificial superconductor que emite ondas sonoras. Estas se transmiten por un sólido y se pueden detectar con dispositivos que actúan como micrófonos. De esta forma han comprobado por primera vez que el sonido se puede usar para comunicarse con los átomos, además de demostrar que los fenómenos de física cuántica asociados a los fotones también se pueden analizar con ‘fonones’.

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 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, el primer autor del artículo. "Y estas partículas son el sonido más débil que puede ser detectado".

Según los autores, 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", añade 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. 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 acoplar 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, los investigadores es donde han colocado el átomo artificial, que mide unos 0,01 milímetros de largo y está fabricado del 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, 12 de septiembre de 2014.