Su uso para medir cosas minúsculas podría salvar a una industria joyera en crisis.
Por Edy B. Morgan
Desde hace tiempo, De Beers, la famosa empresa dedicada a la extracción y venta de diamantes, atraviesa dificultades. La competencia de los diamantes sintéticos, producidos sobre todo en China, ha reducido considerablemente la demanda de los «naturales» y, en general, hay un menor interés por las joyas que los contienen. Para intentar diferenciar su oferta, De Beers ha optado por orientarse hacia otro segmento del mercado: el de los sensores de altísima precisión que aprovechan los principios de la física cuántica.
A través de su filial Element Six, con sede en el Reino Unido, De Beers desarrolla y produce diamantes sintéticos «perfectamente imperfectos» para abastecer a un prometedor sector tecnológico que, algún día, podría revolucionar numerosas aplicaciones, desde la medicina hasta los sistemas de navegación. De hecho, para fabricar estos sensores se necesitan diamantes que presenten una imperfección microscópica en su interior. Los sistemas experimentales utilizados hasta ahora han dado resultados importantes y podrían ofrecer a De Beers y a otros productores de diamantes una oportunidad para seguir siendo relevantes en el mercado.
En general, un sensor cuántico es un dispositivo que aprovecha fenómenos particulares de la física cuántica (como propiedades especiales de los electrones) para medir con gran precisión magnitudes muy pequeñas o débiles, que con los métodos tradicionales serían difíciles o imposibles de detectar debido a los límites de sensibilidad de los instrumentos.
Existen diversos tipos de sensores cuánticos y los más extendidos hasta ahora deben enfriarse casi hasta el cero absoluto (es decir, acercándose mucho a los 0 K, lo que equivale a -273,15 °C) y deben utilizarse en entornos extremadamente aislados, ya que, de lo contrario, sufren interferencias. Por lo tanto, son muy costosos y, sobre todo, difíciles de transformar en sistemas para el uso cotidiano, como sí se podría hacer con los sensores obtenidos a partir de diamantes, que funcionan a temperatura ambiente y sufren menos interferencias. Son ligeramente menos sensibles, pero según los expertos tienen un gran potencial en numerosas aplicaciones.
Por el momento, los sensores basados en diamantes se utilizan sobre todo en laboratorios, pero varios grupos de investigación están trabajando para comprender cómo miniaturizar e integrar esta tecnología en productos portátiles y de consumo. Su uso en el laboratorio se centra en el estudio de las neuronas y, en general, de las células, en la verificación del funcionamiento de los microchips y, naturalmente, en el estudio de la física cuántica, precisamente porque pueden medir a escala minúscula.
Los más optimistas creen que, en unos años o décadas, esta nueva tecnología podría generalizarse en dispositivos médicos portátiles, en diversos sensores ambientales e incluso en sistemas de navegación alternativos a los satelitales, basados en la detección de variaciones en los campos magnéticos, empezando por el terrestre.
Cómo funciona
Para comprender el funcionamiento de estos sensores, es necesario hacer un breve recorrido por la estructura atómica de los diamantes. Un diamante es un cristal compuesto por átomos de carbono, dispuestos en una red tridimensional rígida y ordenada. Es precisamente esta estructura la que convierte al diamante en uno de los materiales más duros que se conocen, pero la red no siempre es perfecta.
A veces, durante la formación del cristal, un átomo de carbono es sustituido por un átomo extraño, como uno de nitrógeno, silicio o boro. A escala atómica, estas anomalías se denominan «centros de color», ya que son los responsables de los tonos que pueden adoptar los diamantes. Si hay mucho nitrógeno, por ejemplo, la gema tiene un color amarillo pajizo y esto puede influir en el valor que se le atribuye (por lo general, cuanto más puro es un diamante, mayor es su valor).
Existen varios tipos de centros de color, pero el que interesa para las aplicaciones cuánticas es el denominado «centro de nitrógeno-vacante» o NV, por el símbolo del nitrógeno N y la primera letra de la palabra inglesa «vacancy», es decir, «puesto vacante, vacante». El centro NV es un defecto específico dentro de la red cristalina del diamante y es inferior al nanómetro, es decir, una millonésima parte de un milímetro. Como sugiere su nombre, está formado por un átomo de nitrógeno que ha ocupado el lugar de uno de carbono y por un área adyacente que ha quedado vacía, es decir, sin un átomo de carbono en la red que forma el diamante.
El NV se comporta como una especie de átomo independiente que puede existir en diferentes estados de carga: positivo, negativo o neutro. La versión que interesa a los físicos cuánticos es la negativa NV–, que se produce cuando el centro de nitrógeno-vacante captura un electrón más de los que ya tiene disponibles (el electrón es una partícula subatómica con carga negativa).
Los diamantes con NV– se producen en laboratorios, como los de Element Six, introduciendo átomos de nitrógeno en la red cristalina del diamante que se sintetiza y haciendo que se dispongan luego de la forma deseada. Es un proceso que requiere una precisión enorme e instrumentos calibrados para trabajar a escala atómica, y esto explica por qué, por ahora, solo lo llevan a cabo unas pocas empresas en todo el mundo. Deben crear un defecto con extrema precisión.
Una vez obtenido el diamante con NV–, se pasa a su aplicación aprovechando una característica fundamental del electrón: su «espín». No es fácil hacerse una idea de lo que es el espín, porque no hay nada en nuestra experiencia cotidiana observable que sirva para establecer una comparación que encaje exactamente. El espín es una condición intrínseca de una partícula como el electrón, es decir, una de sus características, al igual que lo son la masa y su carga eléctrica, que, como hemos visto, es negativa. El espín siempre está presente y no puede eliminarse del electrón ni desactivarse de ninguna manera.
El nombre, que deriva de los primeros descubrimientos sobre esta característica, es engañoso porque «spin» en inglés significa literalmente «girar», pero el electrón no gira sobre sí mismo como una peonza. Podemos pensar en un electrón como un imán minúsculo con un polo norte y uno sur, que reacciona, por tanto, a los campos magnéticos externos, un poco como lo hace la aguja de una brújula cuando le acercamos un imán y se reorienta en función de ese campo magnético, que se superpone al terrestre hacia el que se orienta naturalmente la aguja.
El espín del electrón está «cuantizado», lo que significa que solo puede encontrarse en estados energéticos bien definidos y en ninguna posición intermedia (convencionalmente, estos estados se denominan «arriba» y «abajo»). Aunque esto omite varios detalles —y en física los detalles lo son todo—, podemos considerar el espín como una especie de brújula interna de los electrones, que solo puede apuntar hacia el norte o hacia el sur, sin posibilidad de términos medios. Se ve afectado por los campos magnéticos que lo rodean, por lo que si el espín se ha medido en un sentido y, tras estar cerca de algo, el sentido cambia, se puede deducir a qué campo magnético ha estado expuesto. Este cambio neto permite obtener una medición muy precisa, lo que nos lleva de nuevo a los diamantes con centro NV–.
Si se envía un pulso de luz láser verde al centro NV–, este absorbe la luz y pasa a un estado energético más alto; luego, tras un instante, vuelve al estado original y, al hacerlo, emite luz roja. Esta emisión depende del espín y puede ser más o menos intensa; al medirla, se puede determinar exactamente en qué estado se encuentra el espín. En otras palabras, con este sistema se puede leer el estado cuántico de forma sencilla y directa y convertir el sistema en un sensor.
En la práctica, se envía un primer pulso de luz láser verde hacia el diamante, para determinar cuál es el espín del centro NV, en función de la luz roja que emite en respuesta. Este paso equivale a poner a cero un instrumento antes de utilizarlo, algo parecido a lo que se hace con una balanza al ajustarla para la tara. A continuación, se acerca el diamante a lo que se desea estudiar, por ejemplo, el campo magnético extremadamente débil de una célula o un objeto que sufre minúsculas variaciones de temperatura. El campo magnético externo de lo que se desea medir cambia el espín del NV–, que, como hemos visto, se comporta como una minúscula brújula.
Para ver cómo ha cambiado, basta con enviar un nuevo pulso láser (junto con microondas para estimular el espín) y medir la cantidad de luz roja emitida en respuesta. A partir de la variación entre la medición realizada anteriormente y esta última, se puede calcular cómo ha cambiado el espín. Mediante ecuaciones y cálculos, se puede obtener finalmente un número preciso que indica, por ejemplo, la intensidad del campo magnético de la célula, y repitiendo las mediciones también se puede ver cómo cambia este con la propia actividad celular.
Los diamantes cuánticos tienen un gran potencial y están atrayendo numerosas inversiones, por lo que empresas como De Beers esperan que se conviertan en un ámbito útil para diversificar sus negocios y compensar la caída de la demanda. Un sensor es para siempre.