El primer micrófono cuántico

El estudio realizado por el departamento de física aplicada de la Universidad de Stanford que fue publicado en la revista Nature este mes julio de 2019 no es cualquier estudio acerca de sonido, es un estudio que encierra la singularidad del fenómeno físico del sonido y nos acerca a sus infinitas posibilidades.

Para entender lo que realmente significa haber creado un micrófono cuántico vamos adentrarnos un poco en la mecánica cuántica y en la ciencia de los materiales.

Quienes me conozcan sabrán que éste tipo de historias me apasionan desde muy chica. Uno de los factores que más me apasiona del sonido es la inmensa capacidad de energía que encierra y su poder de transformación constante.

Comencemos esta historia a través de los Fonones

El siglo XX tuvo uno de los pensamientos más revolucionarios en la historia de la humanidad: la física cuántica.

La teoría que describe el comportamiento de la materia y la luz a escalas microscópicas. La física cuántica encierra el comportamiento extraño de la materia; bajo determinadas condiciones, las partículas se comportan como ondas y las ondas como partículas.

En el siglo XVII Isaac Newton proponía la teoría de que la luz son partículas y no ondas. Pero los físicos Christian Huygens y Robert Hooke, al mismo tiempo; proponían el modelo ondulatorio de la luz de una manera muy precisa.

Ni Newton, ni Huygens, ni Hooke estaban equivocados

Resulta que la luz se comporta de manera dual; está compuesta por diminutos paquetes de onda, a estas ondas/partícula se las denomina Fotones.

El concepto de fotones tiene su origen cuando el físico Max Planck introduce la idea de que la luz podía ser analizada como una partícula portadora de paquetes de energía, a éstos paquetes de energía los denominó Cuantos.
Años más tarde, analizando la teoría de Plank, Albert Einstein propone que la cuantización es una propiedad intrínseca de la luz.

La luz es una onda electromagnética, sólo que en lugar de tratarse de una onda continua se encuentra modulada en paquetes de energía como propuso Planck. Esto implica una dualidad en sus características, es decir; a pesar de ser una onda, al estar localizada en el espacio y poseer una energía definida, presenta características similares a las de las partículas.

En octubre de 1926, Gibert Newton Lewis, en un artículo en la revista Nature, se refirió por primera vez a los cuantos de energía como fotones, lo que implicaba la aceptación del cuanto de luz en el campo de las partículas elementales.

De la luz al sonido

Hasta ahora hemos hablado de cómo se comporta la luz y no hemos dicho nada acerca del sonido. Sin embargo el sonido que solemos describir como una onda, a niveles microscópicos se comporta como una partícula; a estas partículas se las denomina fonones.

Cuando hablamos de sonido solemos referirnos a la vibración del aire que estimula nuestros oídos. Si en vez de fijarnos en el aire pensamos en sólidos cristalinos, es decir, sólidos con sus átomos muy ordenados periódicamente cuya forma es invariable, estaremos hablando de un movimiento vibratorio básico en el que una red de átomos o moléculas oscila uniformemente a una sola frecuencia, es ahí dónde aparecen los fonones.

Expliquemos un poco mejor; los materiales sólidos se pueden clasificar de acuerdo a la regularidad con que los átomos o iones están ordenados uno con respecto al otro. Un material cristalino es aquel en que los átomos se encuentran situados en un arreglo repetitivo o periódico, aquí los átomos se posicionarán de una manera repetitiva tridimensional en el cual cada átomo está enlazado al átomo vecino más cercano.

Cuando un material vibra, la vibración puede ser descrita como la suma
de ciertas vibraciones elementales, conocidas como modos normales de
vibración. Cuando uno de los átomos es desplazado de su posición de equilibrio, se desata una onda o un fonón, que se propaga por el material.

Los materiales están llenos de fonones de diferentes energías o frecuencias viajando caóticamente en todas direcciones. Pero a diferencia de los fotones, que usualmente no interactúan entre ellos cuando tienen distintas frecuencias, los fonones se superponen unos a otros creando patrones muy complejos que son muy difíciles de analizar.

Para los ingenieros, quienes diseñan los micro chips que utilizan nuestras computadoras, teléfonos celulares, etc. cada vez es más importante ser capaz de controlar los movimientos de calor a través de los materiales cristalinos – tales como el silicio – con los cuales se fabrican dichos dispositivos.

Aquí es cuando entra en juego el experimento del Micrófono cuántico.

El calor del sonido

En las computadoras y los dispositivos celulares, una de las mayores limitantes para incrementar la velocidad y la memoria es la necesidad de disipar el calor generado por los chips.

Para entender cómo el calor se propaga a través de un material, hay que tener en cuenta nuevamente que el sonido es en realidad el movimiento o vibración de los átomos y las moléculas: las vibraciones de baja frecuencia corresponden al sonido, mientras que las frecuencias más altas corresponden al calor.

Los fonones son especialmente relevantes en el comportamiento del calor y el sonido de los cristales.

En la práctica, la mayoría de los materiales están llenos de una mezcla caótica de fonones que tienen diferentes frecuencias y viajan en direcciones diferentes, todos superpuestos unos sobre otros, de la misma manera que los movimientos aparentemente caóticos de un mar agitado.
Los fonones de longitudes de onda diferentes pueden interactuar y mezclarse cuando chocan entre sí, produciendo una longitud de onda diferente. Esto hace que su comportamiento sea caótico y muy difícil de medir y controlar.

¿Cómo funciona el micrófono cuántico?

Hasta ahora, había sido imposible medir los estados de los fonones. Esto se debe a que las diferencias de energía entre los estados son increíblemente pequeñas.

En el micrófono cuántico en lugar de que el sonido mueva una membrana, como hace en un micrófono convencional, el micrófono cuántico usa resonadores nanomecánicos sobreenfriados, tan pequeños que sólo son visibles a través de un microscopio electrónico. 

Los resonadores están acoplados a un circuito superconductor que contiene pares de electrones que se mueven sin resistencia. El circuito forma un qubit, que puede existir en dos estados a la vez y tiene una frecuencia natural, que puede leerse electrónicamente. Cuando los resonadores mecánicos vibran como un parche, generan fonones en diferentes estados.

El dispositivo podría sentar las bases para una nueva forma de almacenar información codificada con fonones en lugar de depender de fotones como dependen las computadoras cuánticas actuales para codificar la información. Esto podría hacer que las futuras computadoras cuánticas sean aún más compactas y eficientes gracias al sonido.


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