"El hombre encuentra a Dios detrás de cada puerta que la ciencia logra abrir." EINSTEIN


martes, 7 de febrero de 2012

Proyecto Q-ESSENCE


Investigadores daneses financiados con fondos europeos combinaron dos campos científicos, física cuántica y nanofísica, y lograron descubrir un método nuevo para refrigerar membranas semiconductoras mediante láser. Los semiconductores son componentes vitales en muchos artículos electrónicos como las celdas fotovoltaicas y los diodos emisores de luz (LED) y su refrigeración es importante de cara al desarrollo de ordenadores cuánticos y sensores ultrasensibles.

N
o obstante, al contrario de lo que puede dar a entender el nuevo método de refrigeración, la técnica utilizada funciona realizando la acción opuesta, es decir, lo que hace es calentar el material. En un artículo publicado en Nature Physics, el equipo del Instituto Niels Bohr y de la Universidad de Copenhague explica la forma en la que utilizaron láseres capaces de enfriar las fluctuaciones en una membrana hasta 269 grados Celsius bajo cero.
Su estudio recibió apoyo económico por valor de 4 700 000 euros a través del proyecto Q-ESSENCE («Interfaces, sensores y comunicación cuánticos basados en el entrelazamiento»), financiado mediante el tema «Tecnologías de la información y la comunicación» (TIC) del Séptimo Programa Marco (7PM) de la Union Europea.
Koji Usami, autor principal del estudio, explicó: «En nuestros experimentos hemos logrado enfriar de forma innovadora y eficiente un material sólido mediante el empleo de láseres. Hemos producido una membrana semiconductora de un grosor de 160 nanómetros y con un área de superficie sin precedentes de un milímetro por un milímetro. En los experimentos hicimos que la membrana interactuase con la luz del láser de forma que sus movimientos mecánicos afectasen a la luz incidente en ella. Examinamos al detalle la física subyacente y descubrimos que una oscilación concreta de la membrana se enfrió desde la temperatura ambiente hasta los 269 grados Celsius como resultado de la compleja y fascinante interacción entre el movimiento de la membrana, las propiedades del semiconductor y las resonancias ópticas.»
El equipo danés lleva tiempo perfeccionando la técnica de refrigeración de átomos por láser y con anterioridad había logrado enfriar mediante láseres concentrados nubes gaseosas de átomos de cesio a una temperatura cercana al cero absoluto, 273 grados Celsius bajo cero. Uno de sus logros fue la creación de un entrelazamiento cuántico entre dos sistemas atómicos. Esto sucede cuando el espín atómico se entrelaza y las dos nubes de gas crean una relación en función de los principios de la mecánica cuántica. Mediante técnicas relacionadas con la óptica cuántica midieron las fluctuaciones cuánticas del espín atómico.
«Quisimos examinar hasta dónde se pueden ampliar los límites de la mecánica cuántica y averiguar si se podía aplicar también a los materiales macroscópicos. De ser así se generarían posibilidades completamente nuevas en optomecánica, la interacción entre la radiación óptica, la luz, y un movimiento mecánico», explicó el profesor Eugene Polzik, también autor del estudio.
Antes de comprobar la validez de sus teorías en la práctica, debieron comprobar si su equipo era adecuado para dicha tarea.
Todo comenzó en 2009, cuando un miembro del equipo de trabajo, Peter Lodahl, impartió una charla en el Instituto Niels Bohr. En ella mostró una membrana cristalina fotónica fabricada con el material semiconductor arseniuro de galio (GaAs). Tras el evento el profesor Polzik pensó que esta nanomembrana debía poseer muchas propiedades electrónicas y ópticas interesantes. Sugirió que se emplease este tipo de membrana en los ensayos de optomecánica, y tras un año de experimentos con distintas dimensiones el equipo logró una adecuada a sus propósitos.
El equipo logró producir una nanomembrana de tan sólo 160 nanómetros de grosor y de algo más de un milímetro cuadrado de área.
En uno de los experimentos iluminaron con luz láser la nanomembrana en una cámara de vacío. Parte de la luz que incidió sobre la membrana semiconductora se reflejó. Ésta se devolvió al material mediante un espejo del experimento para que recorriese este trayecto una y otra vez, creando así un resonador óptico. La membrana absorbió parte de la luz y liberó electrones. Éstos acabaron por sufrir decaimiento, calentando la membrana y generando expansión térmica. De este modo, la distancia entre la membrana y el espejo experimentó un cambio de forma constante, generando una fluctuación.
Koji Usami, amplió la información al respecto: «Al cambiar la distancia entre la membrana y el espejo se genera una interacción fascinante y compleja entre el movimiento de la membrana, las propiedades del semiconductor y las resonancias ópticas y es posible controlar el sistema para enfriar la temperatura de las fluctuaciones de la membrana. Este mecanismo optomecánico es nuevo y básico para el nuevo descubrimiento. La paradoja reside en que, aunque el conjunto de la membrana sí se calienta ligeramente, la membrana propiamente dicha se enfría a una oscilación concreta y la refrigeración generada puede controlarse con una luz láser. Por lo tanto se produce, de forma asombrosa, refrigeración mediante procesos de calentamiento. Logramos enfriar las fluctuaciones de la membrana hasta los 269 grados Celsius bajo cero.»
Estos hallazgos podrían conducir al desarrollo de componentes refrigerantes para ordenadores cuánticos. Un ordenador cuántico es un dispositivo de computación que aprovecha los fenómenos de la mecánica cuántica como la superposición y el entrelazamiento para realizar operaciones con datos.
Los objetivos principales del proyecto Q-ESSENCE son desarrollar interfaces cuánticas capaces de registrar información cuántica a alta fidelidad entre distintos sistemas de esta naturaleza, la generación de un entrelazamiento cuántico a nuevas escalas y distancias para que se pueda utilizar como recurso que realice tareas relacionadas con la información cuántica y diseñar entrelazamiento multipartito en topologías específicas de sistemas elementales.
El proyecto también brinda apoyo a científicos de Australia, Austria, Alemania, Italia, Polonia, Eslovaquia, España, Suiza, Países Bajos y Reino Unido. Estará en marcha hasta 2013 y creará oportunidades en el ámbito de las tecnologías de la información cuántica que podrán convertirse en métodos completos capaces de ejecutar tareas informáticas.

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