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La física cuántica se aproxima al sueño de los alquimistas

Un láser puede cambiar las propiedades electrónicas de un sólido y conseguir que parezca otra cosa: engaña al plomo para que se comporte como si fuera oro, casi el sueño de los alquimistas.

Investigadores de la Universidad de Tulane en Estados Unidos han conseguido cumplir el viejo sueño de los alquimistas: transformar un objeto en otro, aunque solo de una manera algo diferente.

En realidad, no hablan de convertir el plomo en oro, sino de “engañar” al plomo para que se comporte como si fuera oro, tal como explican en un comunicado de la citada universidad. Los resultados se publican en dos artículos de la revista Physical Review.

El método para conseguir esta proeza tecnológica consiste en utilizar pulsos ópticos personalizados para remodelar las nubes de electrones de átomos y moléculas que rodean a los cuerpos físicos.

La técnica, desarrollada por los físicos Gerard McCaul y Denys Bondar, permite manipular las propiedades de diferentes materiales mediante la luz láser: «esculpe» estructuras electrónicas y sus respuestas ópticas utilizando fotones, explica al respecto Nature.

Nuevos alquimistas

La idea no es totalmente nueva, porque en 2017 investigadores de la Universidad de Princeton consiguieron por este método que un átomo se pareciera a otro, controlando con suficiente precisión el campo láser.

Los físicos de Tulane han ido más lejos y aplicado el método a objetos más complejos: desde pequeñas colecciones de moléculas, donde solo hay un puñado de electrones para controlar, hasta sólidos grandes y voluminosos con todo un mar de electrones, explica Quantamagazine.

La revista PhysicsWorld añade al respecto: las diferentes composiciones del oro y del hierro, que les confieren propiedades químicas, eléctricas y magnéticas diferentes, se pueden alterar aplicando campos que cambian las sustancias mediante el campo electromagnético de un láser.

Eso no significa que sea posible cambiar la masa de un objeto, por ejemplo, sino que se puede influir sobre las propiedades electromagnéticas de los materiales para cambiar su aspecto.

Usando el control cuántico coherente de las propiedades electrónicas de un material,  se puede hacer que casi cualquier cosa se parezca a otra cosa, destacan los investigadores.

Simpleza y complejidad

Más concretamente, lo que consigue esta tecnología es cambiar las fases aislante y conductora de un sólido mediante el diseño de un campo láser.

El resultado es importante porque, cuando un material se expone a un láser, absorbe la energía del rayo y pone en movimiento sus electrones, que generan la luz a través de la cual los objetos son percibidos.

Los espectros de luz que se generan de esta forma dependen de si el material está en fase conductora o aislante: si cambiamos la fase, cambia la luz que refleja el objeto y también la percepción que tenemos de él.

Un ejemplo: llevado al mundo macroscópico, es como si, al cambiar las propiedades conductoras del cuerpo de un animal, el conejo que vemos de pronto se convierte en un pato.

McCaul explica al respecto: la diferencia entre la apariencia y el comportamiento de un sistema es una cuestión semántica.

“Solo podemos definir los estados de la materia por el comportamiento que observamos, así que, si podemos imitar eso, nuestro sistema está por definición en ese estado de la materia. Si grazna como un pato…», entonces será un pato, a efectos de la percepción.

Óptica cuántica

Esta investigación se enmarca en el contexto de la óptica cuántica, la rama de la óptica (estudio de la luz visible) que se ocupa de la aplicación de la mecánica cuántica a los sistemas ópticos.

Sin embargo, invierte el proceso clásico de la mecánica cuántica: disponiendo de la función de onda de una sustancia y conociendo el pulso de luz que utiliza, esta disciplina puede predecir el resultado de cualquier interacción con esa sustancia.

La nueva investigación procede a la inversa: establece el resultado que quiere obtener y calcula el pulso de luz necesario. No es preciso que conozca la función de onda de la sustancia con precisión. Basta establecer una aproximación para que el láser consiga el resultado pretendido.

Aplicaciones punteras

La técnica representa una oportunidad, tanto para la ciencia de materiales como para la química, destacan los investigadores: permite obtener compuestos más simples y baratos que imitan las propiedades de materiales más costosos.

Incluso se puede utilizar para imitar estados exóticos de la materia, como la superconductividad a altas temperaturas, que se obtiene cuando en ciertos materiales la resistencia eléctrica desaparece.

Puede ser útil, por tanto, para desarrollar nuevos superconductores, vitales para muchas tecnologías modernas, y para crear luz de alta frecuencia: permitiría a los físicos explorar la dinámica de los sistemas en escalas de tiempo y duración mucho más cortas de lo que es posible en la actualidad.

Referencias

Controlling arbitrary observables in correlated many-body systems. Gerard McCaul et al. Phys. Rev. A 101, 053408, 6 May 2020. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevA.101.053408

Driven Imposters: Controlling Expectations in Many-Body Systems. Gerard McCaul et al. Phys. Rev. Lett. 124, 183201, 6 May 2020. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.183201

 

Foto superior: Esquema de mimetismo derivado del espectro electromagnético de la luz visible, mediante el cual dos materiales diferentes imitan los espectros del otro, gracias a la óptica cuántica. Crédito: APS/Carin Cain).

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe es el Editor de Tendencias21.

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