Espines cuánticos mueven un objeto de un centímetro en el laboratorio
Un equipo de Japón ha utilizado el magnetismo de los electrones de un diamante para mover un dispositivo que levita sobre imanes. El logro acerca al laboratorio una pregunta fascinante: ¿puede un objeto macroscópico estar en dos lugares a la vez?
Por Enrique Coperías, periodista científico
El diamante brilla en rojo al recibir la luz de un láser verde. Los pulsos modifican los estados de espín de sus electrones y generan un diminuto empuje hacia el imán situado debajo. Cortesía: Cassondra George (OIST)
Una placa de grafito flota sobre cuatro imanes. De ella cuelga una varilla de fibra de carbono que sostiene un pequeño diamante. Al encender y apagar un láser verde, el conjunto empieza a oscilar. Apenas se desplaza unos cien nanómetros, una diezmilésima de milímetro.
Lo extraordinario es el origen de ese empuje. El láser modifica los estados de espín de los electrones alojados en ciertas imperfecciones del diamante y, con ellos, su respuesta magnética. Ese cambio basta para poner en movimiento todo el dispositivo.
El experimento, realizado en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), en Japón, demuestra que una propiedad cuántica de los electrones puede utilizarse para controlar el movimiento de un objeto de tamaño centimétrico. El estudio, publicado en la revista Science Advances, está firmado por Anshuman Nayak, Daehee Kim, Shilu Tian y Jason Twamley.
Qué han conseguido los investigadores del OIST
El conjunto tiene una masa de 128 miligramos. Según el OIST, nunca se había desplazado un objeto tan grande mediante esta fuerza de espín. El centímetro corresponde a la placa de grafito; el diamante que cuelga de ella mide apenas tres milímetros de lado. Los imanes sostienen el dispositivo en el aire, mientras los diminutos empujes generados en el diamante lo hacen oscilar arriba y abajo.
«Ahora hemos observado una respuesta mecánica clásica a una fuerza cuántica en un objeto entre ocho y nueve órdenes de magnitud más masivo que los utilizados en los experimentos espín-mecánicos más avanzados», afirma Twamley, responsable de la Unidad de Máquinas Cuánticas del OIST, en un comunicado del instituto la que ha tenido acceso RexMolón. La comparación se refiere a esa familia de experimentos y equivale a multiplicar la masa por entre cien millones y mil millones.
El resultado muestra que es posible transmitir la acción de los espines a un objeto relativamente grande. Todavía falta conseguir que su movimiento manifieste otros comportamientos cuánticos, como una superposición de posiciones.
Cómo la fuerza de espín mueve el dispositivo
El espín y el magnetismo de los electrones
El espín es una propiedad de las partículas relacionada con su comportamiento magnético. Aunque su nombre invita a imaginar una peonza, un electrón no es una bolita que gira sobre sí misma. El espín pertenece al mundo cuántico y, según su estado, el electrón puede responder de forma diferente a un campo magnético.
Si ese campo cambia de intensidad de un lugar a otro, puede ejercer una fuerza que produzca un desplazamiento. Los físicos llaman gradiente magnético a esa variación espacial. El principio está emparentado con el experimento que Otto Stern y Walther Gerlach realizaron en 1922: al atravesar un campo no uniforme, un haz de átomos de plata se separó en dos. Aquel resultado ayudó a sentar las bases experimentales de la mecánica cuántica.
En el nuevo trabajo, los investigadores aprovechan la acción conjunta de muchos espines para mover un dispositivo mucho más pesado. Para reunirlos y controlarlos, recurren a las imperfecciones del diamante.
Las imperfecciones del diamante que permiten controlar los espines
El cristal contiene los llamados centros de nitrógeno-vacante, conocidos por las siglas NV. Son defectos de su estructura: un átomo de nitrógeno sustituye a uno de carbono y, a su lado, queda un hueco que debería ocupar otro átomo de carbono. Estos centros albergan electrones cuyos estados de espín pueden manipularse con luz.
Un imán situado debajo del diamante crea el campo no uniforme necesario. Los pulsos del láser verde cambian la distribución de los estados de espín y, con ella, el magnetismo del conjunto de centros NV. En las condiciones del experimento, la iluminación aumenta la atracción hacia el imán. Al apagar la luz, los espines recuperan su distribución anterior.
La alternancia genera empujes periódicos que se transmiten del diamante a la varilla y a la placa. Para amplificarlos, hay que aplicar cada pulso en el momento adecuado.
El profesor Jason Twamley, responsable de la Unidad de Máquinas Cuánticas del OIST y coautor del experimento que ha logrado mover un dispositivo de un centímetro mediante la fuerza de espín de los electrones de un diamante. Cortesía: Jason Twamley / Tratamiento digital con Grok
La resonancia que amplifica el movimiento
Los investigadores sincronizaron los pulsos con la frecuencia natural del dispositivo, unas 17,6 oscilaciones por segundo. Es el mismo principio que permite elevar un columpio mediante pequeños empujones bien acompasados. La resonancia amplifica el movimiento hasta distinguirlo del temblor aleatorio causado por la agitación térmica.
Las fuerzas medidas superaron los cinco nanonewtons, apenas cinco milmillonésimas de newton.
La suspensión facilita que un empuje tan débil produzca una oscilación medible, al evitar el rozamiento con un soporte. La levitación se debe al diamagnetismo del grafito, una respuesta magnética que tiende a alejarlo de las zonas donde el campo es más intenso. Con una disposición adecuada de imanes, la placa flota. Un blindaje evita que el campo utilizado para sostenerla interfiera con la región del diamante, donde se genera la fuerza de espín.
Cómo comprobaron que el movimiento procedía de los espines
Para seguir unas oscilaciones tan pequeñas, el equipo utilizó un interferómetro láser. El instrumento compara haces de luz, uno de ellos reflejado en un espejo sobre el grafito, para detectar los cambios de posición. Puede resolver distancias del orden del picómetro, una billonésima de metro. Sin embargo, las perturbaciones del laboratorio limitaron la medición efectiva a aproximadamente un nanómetro.
Medir el movimiento no bastaba: había que comprobar su causa. Al retirar el imán que producía el gradiente, la señal intensa de oscilación desaparecía. Lo mismo sucedía al sustituir la luz verde por un láser infrarrojo, incapaz de producir el mismo efecto sobre los espines.
Estos controles respaldan que el movimiento procede de la interacción magnética de los espines, en lugar de explicarse por el calentamiento o por una interferencia en la medición óptica. Además, los resultados concordaron con el modelo empleado para calcular la fuerza.
Qué relación tiene con la superposición y la gravedad cuántica
La superposición macroscópica que todavía se busca
El siguiente objetivo es mucho más exigente. En una superposición espacial, el estado cuántico de un objeto combina distintas posiciones a la vez. Preparar y verificar ese estado en objetos cada vez más masivos permitiría investigar hasta dónde puede mantenerse ese comportamiento cuántico.
El dispositivo del OIST todavía oscila como lo haría un objeto de la física clásica. El avance consiste en controlar ese movimiento mediante los espines, un ingrediente de varias propuestas para crear superposiciones macroscópicas. La diferencia es esencial: mover un objeto con una fuerza de origen cuántico no demuestra que su posición esté en superposición.
Los centros NV resultan atractivos para intentar dar ese paso. «Los diamantes con centros NV se conocen bien y son fáciles de controlar», señala el coautor y doctorando Daehee Kim en el comunicado del OIST. Destaca que pueden conservar estados cuánticos durante tiempos relativamente largos a temperatura ambiente.
Esquema del montaje experimental. Una varilla de fibra de carbono une el diamante a la placa de grafito levitada. Un interferómetro detecta los diminutos desplazamientos mediante la luz reflejada en el espejo situado sobre la placa. Cortesía: Nayak et al., 2026 y Pavel Puchenkov (OIST)
Por qué interesa para estudiar la gravedad cuántica
Conseguir una superposición en un objeto con suficiente masa también abriría una vía para estudiar la gravedad. La gravedad cuántica busca describir esta fuerza de forma compatible con la mecánica cuántica. Una de las estrategias propuestas consiste en preparar superposiciones de objetos masivos y estudiar sus interacciones gravitatorias.
«Para probar la naturaleza cuántica de la gravedad, en última instancia necesitamos poner objetos con masas suficientemente grandes en superposición cuántica», explica Nayak, primer autor y doctorando, en la misma nota. Frente a comenzar con partículas diminutas y aumentar su masa, resume la apuesta del grupo: «Estamos en el bando opuesto: vamos de lo grande a lo pequeño».
La dificultad está en proteger los estados cuánticos frente al entorno. El calor, las moléculas del aire y las vibraciones pueden destruir la coherencia, es decir, las relaciones que permiten observar los efectos cuánticos de una superposición. Los ensayos principales se realizaron a temperatura ambiente y presión atmosférica. Trabajar en alto vacío, reducir las pérdidas mecánicas y mejorar el control de los espines mediante microondas son algunos de los pasos propuestos.
Qué aplicaciones podría tener el control del movimiento mediante espines
Mientras avanza hacia ese objetivo, el equipo también explora posibles aplicaciones en la medición de fuerzas débiles. El sistema convierte pequeños cambios en los estados de espín en un movimiento detectable, una capacidad que podría aprovecharse para desarrollar sensores de gran precisión.
El OIST menciona como posibles aplicaciones futuras la búsqueda de materia oscura y la detección de ondas gravitacionales. Son perspectivas de investigación: el experimento actual demuestra el control del movimiento, pero todavía no la capacidad de detectar esos fenómenos.
«Hemos mostrado una gran respuesta clásica a un pequeño efecto cuántico», resume Twamley. La placa levitada ya responde a los espines de un diamante. El reto será conseguir que el movimiento del conjunto pueda prepararse y verificarse en una superposición cuántica.▪️(8-octubre-2026)
LO MÁS IMPORTANTE DEL ESTUDIO, EN 30 SEGUNDOS
- El hallazgo: investigadores de Japón han movido un dispositivo de un centímetro y 128 miligramos mediante la fuerza de espín de los electrones de un diamante.
- Cómo funciona: un láser verde modifica los estados de espín y genera pequeños empujes magnéticos que hacen oscilar el conjunto, suspendido sobre imanes.
- Cuánto se mueve: unos 100 nanómetros, una diezmilésima de milímetro.
- Qué falta por conseguir: todavía no han creado una superposición de posiciones del dispositivo ni demostrado que la gravedad sea cuántica.
- Por qué importa: abre una vía para investigar el comportamiento cuántico de objetos macroscópicos y desarrollar sensores de fuerzas muy débiles.
Información facilitada por el Okinawa Institute of Science and Technology
Fuente: Anshuman Nayak et al. Spin force from a nitrogen-vacancy ensemble drives a 100-mg levitated resonator. Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aeh0566
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