Lectura en tiempo real del espín nuclear de un átomo de titanio: un avance experimental en la frontera de la física cuántica
Ilustración generada con Inteligencia Artificial (ChatGPT)
La física cuántica se ha caracterizado por desafiar constantemente la intuición y los límites de lo observable. Uno de sus principales retos ha sido la posibilidad de medir directamente propiedades cuánticas en sistemas atómicos individuales sin recurrir a promedios estadísticos ni aproximaciones indirectas. En este contexto, un equipo de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos) ha reportado un logro experimental de alcance histórico: la lectura en tiempo real del espín nuclear de un único átomo de titanio, publicado recientemente en Nature Communications.
Este avance inaugura una etapa sin precedentes en el control de cúbits basados en núcleos atómicos, además de abrir nuevas posibilidades para el desarrollo de sensores magnéticos de ultraalta precisión y plataformas de simulación cuántica.
El espín nuclear como recurso cuántico
El espín es una propiedad cuántica intrínseca de partículas subatómicas que puede representarse como un momento magnético elemental. En términos simplificados, se asemeja a un diminuto imán que caracteriza tanto a electrones como a núcleos atómicos.
En la última década, el espín electrónico ha sido ampliamente estudiado y manipulado mediante tecnologías de vanguardia, permitiendo observaciones en tiempo real. No obstante, el espín nuclear permanecía inaccesible experimentalmente debido a su débil interacción con el entorno, lo que imposibilitaba su detección directa. Esta misma limitación, sin embargo, constituye su principal ventaja: el aislamiento nuclear garantiza estabilidad y coherencia prolongadas, cualidades fundamentales para el desarrollo de cúbits robustos en computación cuántica.
Metodología experimental: integración de STM y ESR
El equipo de Delft implementó una estrategia experimental híbrida que combinó dos técnicas complementarias:
1. Microscopía de efecto túnel (STM): permitió situar con precisión una punta metálica sobre un átomo individual de titanio, posibilitando la detección de variaciones en la corriente eléctrica a escala atómica.
2. Resonancia de espín electrónico (ESR): consistió en aplicar ondas de radiofrecuencia que inducen transiciones en el espín electrónico del átomo.
La clave radicó en explotar la interacción hiperfina entre el espín electrónico y el nuclear. Esta acopla ambos sistemas, de modo que el estado nuclear se proyecta sobre el electrón, permitiendo su lectura indirecta. En la práctica, un salto brusco en la señal eléctrica registrada por la STM correspondía a una transición cuántica del núcleo.
Resultados experimentales
El trabajo reportó fidelidades de lectura de hasta el 98 %, alcanzando una precisión sin precedentes en la detección del espín nuclear de un átomo individual. Además, se midió un tiempo de relajación T1 de 5,3 ± 0,5 segundos, lo que representa un intervalo excepcionalmente largo en escalas cuánticas.
En contraste, el espín electrónico del mismo átomo mostró una duración de apenas 100 nanosegundos, confirmando la ventaja del núcleo como soporte de información cuántica estable. Esta diferencia de órdenes de magnitud subraya la idoneidad del espín nuclear para aplicaciones en almacenamiento y procesamiento cuántico.
Titanio-49 como sistema experimental
Los experimentos se realizaron sobre átomos de titanio depositados en una capa nanométrica de óxido de magnesio sobre plata. Se seleccionó específicamente el isótopo 49Ti, cuyo espín nuclear I = 7/2 ofrece múltiples estados cuánticos accesibles, lo que amplía el espectro de configuraciones experimentales.
La posibilidad de manipular y leer estos estados confiere al sistema un alto grado de versatilidad, permitiendo tanto simulaciones de interacciones moleculares como el diseño de arquitecturas cuánticas más complejas.
Implicaciones tecnológicas y proyección futura
Los resultados de Delft trascienden lo meramente experimental, al establecer principios transferibles a múltiples plataformas físicas:
Computación cuántica: la estabilidad del espín nuclear lo posiciona como base de cúbits escalables y de alta fidelidad.
Sensores magnéticos extremos: la sensibilidad inherente al núcleo atómico podría emplearse en la detección de campos a escalas sin precedentes.
Simulación cuántica: la manipulación de núcleos atómicos individuales habilita la recreación de dinámicas moleculares y reacciones químicas fundamentales.
Los investigadores destacan que la metodología no se limita al titanio ni al óxido de magnesio, sino que puede extenderse a semiconductores, aislantes y otros sistemas moleculares, lo que refuerza su relevancia tecnológica.
La lectura directa y en tiempo real del espín nuclear de un átomo de titanio marca un hito en la física experimental contemporánea. Este logro no solo valida la viabilidad de manipular núcleos atómicos individuales, sino que establece un paradigma experimental aplicable a la computación cuántica, la nanotecnología y el desarrollo de sensores atómicos de ultraalta precisión.
Más allá de la metáfora del “latido cuántico”, el experimento de Delft constituye un paso tangible hacia la era de la nanotecnología cuántica, en la cual la manipulación del magnetismo nuclear en sistemas individuales deja de ser especulación teórica y se convierte en una realidad empírica con aplicaciones disruptivas.
Referencia ⬇️
Yang, Z., Zhang, W., Wulf, M., Otte, A. F., & Baart, T. A. (2025). Single-shot readout of a single-atom nuclear spin. Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-025-63232-5