Hay experimentos científicos que parecen salidos de una novela de ciencia ficción, y sin embargo ocurren en laboratorios reales, con instrumentos que permiten espiar el comportamiento íntimo de un solo átomo. Uno de estos hitos lo acaban de alcanzar investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft, en Países Bajos, quienes lograron observar en tiempo real el estado magnético —o espín nuclear— de un átomo individual, concretamente uno de titanio. No es una imagen, ni un promedio estadístico: es una lectura directa y puntual, como si pudiéramos oír el latido cuántico de un solo átomo.
Este logro, publicado en Nature Communications, representa mucho más que una demostración técnica. Abre la puerta a nuevos caminos para el control de cúbits atómicos, con posibles aplicaciones en computación cuántica, sensores ultraprecisos y simulaciones moleculares. Pero sobre todo, permite un grado de observación del mundo cuántico que hasta hace poco parecía inalcanzable: “Demostramos la lectura directa del espín nuclear de un solo átomo de titanio usando una técnica basada en microscopía de efecto túnel combinada con resonancia de espín electrónico”.
Un salto en la observación cuántica
El espín es una propiedad cuántica de las partículas subatómicas que puede entenderse, a grandes rasgos, como un tipo de magnetismo interno. Mientras que los espines electrónicos ya se habían observado en tiempo real con tecnología avanzada, el espín del núcleo atómico seguía siendo esquivo. Esto se debe a que el núcleo está mucho más aislado del entorno que los electrones, lo que dificulta su detección directa, aunque esta misma cualidad lo convierte en una excelente base para aplicaciones cuánticas.
El equipo de Delft resolvió este dilema combinando dos técnicas: la microscopía de efecto túnel (STM), que permite posicionar una punta metálica sobre un único átomo, y la resonancia de espín electrónico (ESR), que aplica ondas de radiofrecuencia para manipular los espines. La clave fue aprovechar la interacción hiperfina entre el espín del electrón y el del núcleo, lo que les permitió leer el estado del núcleo de forma indirecta. “Aplicamos una frecuencia de radio fija, sintonizada para excitar el espín electrónico solo si el espín nuclear estaba en el estado mI = −7/2”.
Ver un salto cuántico en directo
Una de las escenas más impresionantes del experimento ocurrió cuando los investigadores observaron, en una pantalla, un cambio brusco en la señal eléctrica medida sobre el átomo de titanio. Ese salto correspondía a un cambio en el espín nuclear: de un estado cuántico a otro, como una moneda lanzada al aire que de pronto cae de cara a cruz. La señal permanecía estable durante segundos antes de volver a cambiar.
Esto les permitió hacer una “lectura única” o “single-shot readout” del estado nuclear, algo extremadamente difícil de lograr a esta escala, ya que normalmente se necesitan muchas mediciones promediadas. “El estado del espín nuclear queda proyectado en un solo evento durante el tiempo de muestreo, y luego se lee repetidamente para integrar la señal”. Gracias a esta estabilidad, el sistema ofreció fidelidades de lectura de hasta un 98%.
El hecho de que el espín nuclear se mantenga estable durante más de cinco segundos —un periodo inmenso en términos cuánticos— lo convierte en un candidato ideal para su uso en tecnologías cuánticas. En comparación, el espín electrónico en el mismo átomo tiene una duración de solo 100 nanosegundos, lo que resalta la ventaja del espín nuclear en cuanto a robustez y coherencia.
¿Cómo lo lograron?
El experimento se realizó sobre átomos individuales de titanio colocados sobre una delgada capa de óxido de magnesio que cubría una superficie de plata. Los investigadores eligieron específicamente átomos del isótopo 49Ti, que posee un espín nuclear I = 7/2. Esta característica permite múltiples estados cuánticos del núcleo, lo que enriquece el sistema y lo hace más adecuado para el control experimental.
Durante la medición, el equipo utilizó un enfoque de impulsos: enviaron breves señales eléctricas combinadas con radiofrecuencia y luego esperaron sin aplicar ninguna perturbación, antes de volver a medir. Esto permitió calcular el tiempo de vida intrínseco del espín nuclear sin interferencias externas. El resultado fue un tiempo de relajación T1 de 5,3 ± 0,5 segundos, lo que constituye un récord para este tipo de experimentos.
Además, exploraron cómo el espín nuclear responde a distintas condiciones, como la presencia continua de corriente eléctrica o la aplicación de frecuencias fuera de resonancia. Descubrieron que el espín se ve afectado por la llamada interacción flip-flop, un tipo de acoplamiento que permite que el espín del núcleo y el del electrón intercambien su estado. Esta interacción es especialmente relevante cuando se aplica resonancia de espín electrónico de forma continua, lo que acorta la vida del espín nuclear.
Implicaciones para el futuro cuántico
Los resultados obtenidos van mucho más allá del simple interés experimental. La posibilidad de leer y controlar el espín nuclear de un solo átomo de forma precisa abre nuevas rutas para el diseño de bits cuánticos (cúbits) estables y escalables. En lugar de depender de sistemas complejos como trampas de iones o circuitos superconductores, este enfoque basado en átomos sobre superficies permite una manipulación a escala atómica con gran precisión.
Además, la longevidad del espín nuclear permite realizar operaciones cuánticas sin que el estado se degrade rápidamente, algo crucial para cualquier tecnología basada en coherencia cuántica. El sistema podría servir como base para sensores de campos magnéticos extremadamente sensibles, o como bloques de construcción para simuladores cuánticos que modelen interacciones entre átomos y moléculas.
Como señalan los autores, “la metodología presentada aquí puede transferirse a otros sistemas atómicos o moleculares, en distintos sustratos, incluidos los semiconductores y aislantes”. Es decir, no se trata solo de titanio sobre óxido de magnesio: lo que han desarrollado es una técnica que podría aplicarse a muchos otros sistemas físicos.
Un paso más cerca de la ingeniería atómica
Aunque el estudio se centra en un único átomo, sus implicaciones son amplias. La precisión con la que se puede leer y controlar el estado de espín nuclear en estos sistemas apunta a una nueva era de la nanotecnología cuántica. Ya no se trata solo de manipular electrones, sino de entrar al núcleo mismo del átomo y ver cómo se comporta su magnetismo interno en tiempo real.
Este tipo de control podría permitir, en el futuro, no solo la creación de qubits, sino también la ingeniería de estructuras más complejas donde varios núcleos atómicos trabajen juntos. La fidelidad de lectura y la posibilidad de integración con sistemas ya existentes hacen de este un avance que combina lo fundamental con lo práctico. No se trata solo de ver lo invisible, sino de empezar a controlarlo.
Referencias
- Evert W. Stolte, Jinwon Lee, Hester G. Vennema, Rik Broekhoven, Esther Teng, Allard J. Katan, Lukas M. Veldman, Philip Willke & Sander Otte. Single-shot readout of the nuclear spin of an on-surface atom. Nature Communications (2025) 16:7785. https://doi.org/10.1038/s41467-025-63232-5.
