Construyen un dispositivo capaz de detectar ondas de sonido menores que un protón

micrófono cuántico

¿Cuál es el sonido más débil que se puede oír con la ayuda de algún dispositivo? ¿Y el más débil en producirse? El progreso tecnológico del ser humano ha ido acercando progresivamente el primero al segundo.

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n 2010 un grupo de la Universidad de California en Santa Bárbara (UCSB) demostró que se podían crear fonones individuales en un oscilador mecánico criogénico. Ahora Martin Gustafsson, de la Universidad tecnológica de Chalmers, y sus colaboradores han conseguido estudiar los ecos de ondas acústicas cerca del límite cuántico.

Este grupo de científicos suecos y alemanes han conseguido crear un detector de sonido capaz de registrar los sonidos muy débiles permitidos por la Mecánica Cuántica. En el régimen alcanzado el dispositivo puede tanto emitir como detectar oscilaciones mecánicas (fonones) de la manera similar a cómo los dispositivos optoelectrónicos emiten y detectan fotones de luz. El sistema ofrece nuevas perspectivas a la hora de crear circuitos híbridos que mezclen elementos acústicos y electrónicos, además de iluminar nuevos fenómenos cuánticos.

Este "micrófono cuántico" está basado en un transistor que sólo usa un solo electrón a la vez (este tipo de transistores ya se habían logrado crear en el pasado reciente). El chip de arseniuro de galio sobre el que va montado tiene unos trasductores en dos bordes opuestos que son los que generan las ondas acústicas. El arseniuro de galio es un material piezoeléctrico que, como otros similares, produce campos eléctricos al ser deformado mecánicamente o viceversa. Una deformación de este cristal causada por la presencia de una onda acústica induce una polarización eléctrica. Es precisamente esta polarización la que puede detectar el transistor. Obviamente todo el conjunto está enfriado a una temperatura muy baja: 0,2 K.

Las ondas acústicas estudiadas por este equipo de investigadores se propagan por la superficie cristalina del microchip y recuerdan a las ondas que se forman en una charca cuando se arroja una piedra (son diferentes a las estudiadas por el grupo de UCSB). La longitud de onda es en este caso de 3 micras, pero el detector es incluso más pequeño y es capaz de sentir las "olas acústicas" según pasan.

Sobre la superficie del chip fabricaron una cámara de eco de 3 mm de largo. Aunque la velocidad del sonido de este tipo de ondas es 10 veces superior a la del sonido en el aire, el detector mostró cómo los pulsos se reflejaban entre los muros de la cavidad, verificándose así la naturaleza acústica de las ondas. Las ondas eran generadas por un trasductor de un borde y se propagaban hasta rebotar en la pared opuesta, luego en la de procedencia y así sucesivamente. Este vaivén lo realizaban varias veces.

Este tipo de ondas superficiales no son mecánico-cuánticas en comportamiento, pero son tan débiles que se les puede considerar casi en el límite cuántico. El detector es sensible a ondas cuya amplitud es sólo un pequeño porcentaje el diámetro de un protón. Esta intensidad de sonido es tan baja que el fenómeno debería de estar gobernado por las leyes de la Mecánica Cuántica en lugar de la Mecánica Clásica, pero los autores admiten que el régimen es clásico.

En Física Cuántica se llama fonones a los cuántos de vibraciones sonoras. Se tienen muy en cuenta en Física del Estado Sólido a la hora de estudiar las propiedades de la materia. Así por ejemplo, la teoría BCS que explica la superconductividad se basa en la introducción fonones para la explicar la formación de pares de Cooper. La propagación del calor en los sólidos cristalinos se puede explicar usando fonones. Gracias a este tipo de dispositivo se podrán detectar pronto fonones individuales al igual que ya detectamos fotones individuales.

La frecuencia de estas ondas es muy alta como para que la pudiera detectar el oído humano si tuviera la suficiente amplitud, en concreto es de casi 1 GHz, unas 21 octaves por encima de la nota "La". Esto hace de este detector el más sensible del mundo en esa gama de frecuencias.

Gustafsson cree que se puede usar esta aproximación para crear una versión acústica de los qubits basados en fotones de microondas en dispositivos superconductores.