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Monday, 19 October 2026dailybeirut.com
Tecnología y ciencia
Científicos desarrollan un marco que predice la pérdida de energía por vibraciones atómicas en defectos cristalinos, clave para sensores cuánticos.
Las imperfecciones microscópicas dentro de materiales como el diamante o el carburo de silicio poseen el potencial de convertirse en componentes fundamentales para la tecnología de sensores cuánticos. Hasta ahora, predecir con precisión cómo estas anomalías disipan su energía representaba un desafío significativo para la comunidad científica.
Al aplicar un láser sobre una de estas fallas estructurales, los electrones se excitan. Sin embargo, esa energía no siempre regresa en forma de luz visible. Mientras el defecto busca estabilizarse en su estado base, puede emitir fotones, transitar entre estados con distintos giros electrónicos o liberar su carga energética mediante las vibraciones de los átomos circundantes.
Estos defectos de giro podrían funcionar como qubits estables y legibles, las unidades básicas de información en sistemas cuánticos. Su desarrollo exige comprender todo el ciclo de excitación y relajación. Aunque las ecuaciones de la mecánica cuántica describen bien la emisión de luz y los cambios de estado, calcular la pérdida de energía a través de las vibraciones atómicas —conocida como conversión interna— resultaba más complejo.
Investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago (UChicago PME) han creado un marco computacional que captura el ciclo óptico completo, incluyendo dicha conversión interna. El estudio, publicado en Physical Review Letters, demuestra cómo considerar este proceso resuelve una discrepancia histórica entre las predicciones teóricas y los resultados experimentales.
La inconsistencia observada afectaba a una divacancia en el carburo de silicio, un defecto formado por dos átomos vecinos ausentes. Los cálculos del equipo revelaron que la conversión interna contribuye sustancialmente a la vida útil del estado excitado triplete, un factor previamente ignorado. Incorporar esta variable alineó las predicciones con los experimentos, lo cual podría orientar el uso de este tipo de defectos como qubits.
«Esperábamos ver un efecto, pero de menor magnitud», declaró Giulia Galli, profesora Liew de Estructura Electrónica y Simulaciones en UChicago PME y autora principal del estudio. «Lo que encontramos es que este proceso de conversión interna resulta más importante de lo que pensábamos».
En el caso de un centro de vacancia de nitrógeno en diamante, donde un átomo de nitrógeno se sitúa junto a un carbono faltante, las predicciones del nuevo modelo coincidieron con mediciones espectroscópicas recientes. La conversión interna tuvo poca influencia en la pérdida de energía cuando intervenían estados tripletos, pero dominó la disipación desde los estados singletes. Ambas categorías describen diferentes arreglos del giro combinado de los electrones, y los resultados fueron consistentes con suposiciones previas.
El obstáculo para calcular la conversión interna era principalmente computacional, no una falta de ecuaciones fundamentales. «Aunque las ecuaciones son conocidas, describir el proceso con precisión es difícil debido a dificultades computacionales», explicó Stefano Villani, investigador postdoctoral en UChicago PME y primer autor del trabajo. «Se deben tener en cuenta interacciones complejas entre los electrones y los átomos circundantes, lo cual es un reto en sólidos realistas modelados con cientos o miles de átomos».
Galli y Villani colaboraron con Yu Jin, exestudiante graduado del grupo de Galli y actualmente becario postdoctoral en el Instituto Flatiron de Nueva York. Combinaron varios métodos desarrollados previamente por el equipo. Describieron los estados excitados del defecto utilizando funciones de onda de muchos cuerpos, descripciones matemáticas que consideran electrones interactuantes. Derivaciones exactas permitieron calcular la fuerza con que cada estado excitado se acopla al movimiento atómico. La formulación resultante abarca el vínculo entre cada estado del defecto y todas las configuraciones vibracionales de cientos de átomos cercanos, evitando cálculos individuales.
«En el pasado, no había disponible una derivación matemática clara ni algoritmos eficientes», señaló Jin. «La nueva derivación se consolidó tras años de trabajo sobre el ciclo óptico de los defectos de giro».
El equipo implementó este marco en WEST, un código de simulación de código abierto optimizado para unidades de procesamiento gráfico (GPU). El grupo de Galli ha desarrollado WEST durante la última década dentro del Centro Integrado del Medio Oeste para Materiales Computacionales (MICCoM), financiado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE.UU. desde 2015. Al estar ya incorporado al código, otros laboratorios pueden comenzar a utilizarlo.
«Nuestro trabajo ahora puede usarse para hacer predicciones más precisas sobre muchos materiales de interés para tecnologías cuánticas», afirmó Jin.
«Este proceso de conversión interna no solo es relevante para los defectos de giro; también está relacionado con procesos de interés para las tecnologías energéticas», añadió Galli. «Esa es una de las razones por las que este trabajo es tan emocionante».
No obstante, el acceso al código no elimina las demandas computacionales. Galli advirtió que el marco aún requiere recursos sustanciales. «Estamos trabajando en formas de integrar el aprendizaje automático en los cálculos de estados excitados para mejorar aún más la eficiencia de nuestro método», dijo Villani.
Junto a los esfuerzos por reducir estos costos, el equipo está extendiendo el marco a defectos de giro en silicio y a otra clase de materiales utilizados en la conversión y almacenamiento de energía renovable, donde la conversión interna juega un papel importante.
