Por primera vez, científicos de IBM Research demostraron un complejo fenómeno de la mecánica cuántica conocido como condensación Bose-Einstein (BEC, por sus siglas en inglés), mediante el uso de un polímero (plástico) luminiscente, similar a los materiales empleados en las pantallas emisoras de luz de los smartphones actuales.
Este descubrimiento tiene aplicaciones potenciales para el desarrollo de novedosos dispositivos opto-electrónicos que incluyen laser eficientes en energía e interruptores ópticos ultra-veloces, componentes críticos para alimentar los sistemas de cómputo del futuro, que deben procesar masivas cargas de trabajo Big Data. El uso de material polímero y la observación de la condensación BEC a temperatura ambiente ofrecen ventajas sustanciales en términos de aplicabilidad y costo.
El complejo fenómeno demostrado por científicos de IBM a temperatura ambiente lleva el nombre de los reconocidos científicos Satyendranath Bose y Albert Einstein, quienes fueron los primeros en predecir, a mediados de la década de 1920, lo que pudo demostrarse experimentalmente recién en el año 1995.
Un Condensado de Bose-Einstein es un estado peculiar de la materia que ocurre cuando un gas diluido de partículas (bosones) se enfría a casi cero absoluto (-273 Celsius). A esa temperatura, se producen interesantes fenómenos cuánticos macroscópicos, en los que los bosones se alinean como bailarines de salón.
En 1995, el fenómeno se demostró por primera vez a estas temperaturas extremas, pero hoy los científicos de IBM lograron el mismo estado a temperatura ambiente. Para ello, utilizaron un delgado film polímero no cristalino desarrollado por químicos en la Universidad de Wuppertal en Alemania.
En el experimento, se coloca una delgada capa polimérica entre dos espejos y se la estimula con luz láser. Esta fina capa plástica tiene aproximadamente 35 nanómetros de espesor (en comparación, una hoja de papel tiene un espesor aproximado de 100.000 nanómetros). Las partículas bosónicas se generan a partir de la interacción del material polímero y la luz, que rebota ida y vuelta entre los dos espejos.
El fenómeno sólo dura unos pocos picosegundos (una billonésima de segundo) pero los científicos lo consideran tiempo suficiente para usar los bosones para crear una fuente de luz similar al láser y /o un interruptor óptico para interconexiones ópticas futuras. Estos componentes son bloques de construcción importantes para controlar el flujo de información que circula en forma de ceros y unos entre chips futuros, con la capacidad de acelerar significativamente su desempeño utilizando mucha menos energía.
“Que BEC fuera posible con el uso de film polímero en lugar de los cristales ultra-puros habituales ha desafiado nuestras expectativas,” comentó el Dr. Thilo Stoferle, físico de IBM Research. “Es realmente un hermoso ejemplo de mecánica cuántica, en la que uno puede ver directamente el mundo cuántico a una escala macroscópica.”
Los científicos de IBM en distintas partes del mundo se concentran en un ambicioso programa de cómputo a exaescala centrado en datos, que apunta a desarrollar sistemas capaces de procesar masivas cargas de trabajo, 50 veces más rápido que en la actualidad. Un sistema de ese tipo necesitará interconexiones ópticas con capacidad de procesamiento de alta velocidad de Petabytes a Exabytes de Big Data. Ello permitirá el análisis de alto rendimiento para redes de energía, salud, finanzas, inteligencia de negocios y pronósticos meteorológicos y climáticos.
El próximo paso para los científicos consiste en estudiar y controlar las propiedades extraordinarias del Condensado de Bose-Einstein y evaluar posibles aplicaciones, que incluyen simulaciones cuánticas analógicas. Tales simulaciones podrían usarse para modelar fenómenos científicos muy complejos, como superconductividad, algo sumamente difícil si se utilizan los enfoques computacionales de la actualidad.
La investigación se realizó en el Centro de Nanotecnología Binning y Rohrer de IBM Research en Zurich. Se financió con fondos del proyecto FP7 de la Unión Europea denominado ICARUS. El objetivo de ICARUS es crear y caracterizar nuevos sistemas semiconductores híbridos y luego implementarlos en dispositivos fotónicos y opto-electrónicos.
Tres de los científicos participantes en el proyecto (Fotografías © IBM)
