Los saltos cuánticos ya son una realidad: un microscopio con efecto túnel permitió a unos científicos observar en tiempo real el espín nuclear de un átomo

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft, en Países Bajos, alcanzaron un avance que parecía imposible: observar en tiempo real el estado magnético (espín nuclear) de un átomo individual, en este caso de titanio.

Según el estudio publicado en la revista científica Nature Communications, se trata de una lectura directa y puntual, como escuchar el “latido cuántico” de un átomo.

¿Qué es el espín nuclear?

El espín es una propiedad cuántica que puede entenderse como un magnetismo interno. Mientras los espines de electrones ya se habían registrado en tiempo real, el del núcleo atómico permanecía fuera del alcance debido a su aislamiento.

Esa misma característica, sin embargo, lo hace muy útil para aplicaciones cuánticas porque mantiene su estado durante más tiempo.

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¿Cómo lograron ver el espín?

El equipo combinó dos técnicas avanzadas:

• Microscopía de efecto túnel (STM): coloca una punta metálica sobre un único átomo.
• Resonancia de espín electrónico (ESR): aplica ondas de radiofrecuencia para manipular espines.

La clave fue aprovechar la interacción hiperfina entre el espín del electrón y el del núcleo. En palabras de los autores:

Aplicamos una frecuencia de radio fija, sintonizada para excitar el espín electrónico solo si el espín nuclear estaba en el estado mI = −7/2”.

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Un salto cuántico en directo

Durante el experimento, los investigadores observaron un cambio brusco en la señal eléctrica de un átomo de titanio, lo que indicaba un salto del espín nuclear de un estado a otro. Ese cambio fue visible en pantalla y se mantuvo estable durante varios segundos antes de variar otra vez.

Gracias a esta estabilidad, lograron una “lectura única” o single-shot readout del estado nuclear, con fidelidades de hasta un 98%. En comparación, el espín electrónico dura apenas 100 nanosegundos, mientras que el nuclear permaneció más de cinco segundos.

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¿Cómo se realizó el experimento?

• Se utilizaron átomos individuales del isótopo 49Ti, que tiene un espín nuclear I = 7/2.
• Fueron colocados sobre una capa de óxido de magnesio en una superficie de plata.
• El método incluyó breves impulsos eléctricos con radiofrecuencia y pausas sin perturbaciones.

El resultado fue un tiempo de relajación nuclear (T1) de 5.3 segundos, considerado un récord en este tipo de mediciones.

¿Qué aplicaciones podría tener?

Este avance abre la puerta a:

• Computación cuántica: uso de espines nucleares como cúbits estables.
• Sensores magnéticos ultraprecisos.
• Simulaciones moleculares de gran detalle.

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Los investigadores señalaron:

La metodología presentada aquí puede transferirse a otros sistemas atómicos o moleculares, en distintos sustratos, incluidos los semiconductores y aislantes”.

Esto significa que no solo aplica a titanio, sino a otros átomos y materiales.

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¿Por qué es importante este nuevo hallazgo?

El estudio demuestra que ya no se trata solo de manipular electrones, sino de controlar el núcleo del átomo.

Esto podría impulsar la ingeniería cuántica y la nanotecnología, permitiendo construir estructuras donde varios núcleos trabajen en conjunto para aplicaciones futuras.