La ciencia logra un avance cuántico que podría cambiar cómo se estudia el cerebro

Ingenieros cuánticos de la Universidad de Adelaida (Australia) han encontrado una nueva forma de mejorar algunos de los sensores de campos electromagnéticos más sensibles del mundo, un avance que podría ayudar a impulsar las imágenes cerebrales, los diagnósticos médicos, la tecnología de las comunicaciones y los dispositivos cuánticos de próxima generación.

La investigación, publicada hoy en la revista Physical Review Applied, está dirigida por el Grupo de Tecnología Cuántica y Nanotecnología (QuaNTeG) de la universidad y resuelve un problema de larga data que ha limitado el rendimiento de los dispositivos de interferencia cuántica superconductores, conocidos como SQUID.

Los sensores SQUID se encuentran entre los detectores de campo magnético más sensibles jamás creados. Se utilizan en aplicaciones especializadas, como sistemas de neuroimagen, instrumentos científicos y sensores de radiofrecuencia avanzados. Sin embargo, si bien pueden detectar cambios increíblemente pequeños en los campos magnéticos, han tenido dificultades para identificar con precisión cuándo un campo magnético es exactamente cero.

Hasta ahora, los ingenieros han abordado este problema construyendo circuitos complejos que contienen cientos o incluso miles de bucles superconductores de diferentes tamaños. Si bien este método es eficaz, reduce la sensibilidad general del dispositivo.

El equipo, integrado por los estudiantes de doctorado Ross Monaghan y Jonathan Marenkovic, descubrió una solución más sencilla. En lugar de fabricar bucles de diferentes tamaños, los investigadores mantuvieron el mismo tamaño, pero reemplazaron estratégicamente algunos con «bucles desnudos» que no contienen uniones Josephson, un componente clave de los dispositivos SQUID tradicionales.

Estos bucles desnudos modifican la forma en que las señales magnéticas se propagan por el circuito, creando lo que los investigadores denominan una «dispersión de área sintética». Como resultado, el sensor se comporta como si contuviera muchos bucles de diferentes tamaños, sin necesidad de ellos.

El investigador principal, el profesor asociado Giuseppe Tettamanzi, de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Adelaida , afirmó que el descubrimiento podría ayudar a liberar todo el potencial de las tecnologías de detección cuántica.

«Durante décadas, los científicos han sabido cómo hacer que estos dispositivos identifiquen un campo magnético absoluto, pero para ello era necesario hacer concesiones en el diseño que reducían su rendimiento. Nuestro trabajo demuestra que existe otra manera. Mediante la introducción de bucles desnudos cuidadosamente posicionados, podemos lograr el mismo resultado manteniendo las condiciones necesarias para una sensibilidad máxima», dijo el profesor asociado Tettamanzi.

Los investigadores desarrollaron la teoría que sustenta este método y luego confirmaron el efecto experimentalmente utilizando circuitos superconductores fabricados que operaban a temperaturas muy bajas. Los resultados demostraron que el nuevo diseño se comportaba exactamente como se había previsto.

El profesor asociado Tettamanzi afirmó que este avance podría beneficiar a una amplia gama de aplicaciones a largo plazo.

«Los sensores cuánticos superconductores de alta sensibilidad tienen un enorme potencial en medicina, comunicaciones, industria y defensa», afirmó. «Cuanto más nos acerquemos al límite fundamental de detección cuántica, más información podremos extraer de señales muy débiles».

Entre las posibles aplicaciones futuras se incluyen sistemas mejorados de monitorización cerebral, receptores de radiofrecuencia más sensibles, tecnologías de comunicación de bajo ruido y plataformas avanzadas de detección electromagnética.

Este descubrimiento también podría facilitar y abaratar la fabricación de futuros dispositivos, ya que el nuevo enfoque elimina la necesidad de fabricar grandes matrices que contengan bucles de diferentes tamaños.

Si bien se requieren más pruebas antes de que la tecnología pueda comercializarse, los investigadores creen que este avance acerca significativamente los sensores cuánticos prácticos a la realidad.

El concepto es objeto de una solicitud de patente internacional, y ya se están realizando estudios adicionales para mejorar el rendimiento del dispositivo y explorar nuevas aplicaciones.