Nuevos sensores cuánticos resisten presiones extremas, un gran avance para la superconductividad y el magnetismo
Un equipo internacional de físicos ha desarrollado sensores cuánticos ultrafinos capaces de sobrevivir dentro de yunques de diamante. Su resistencia a presiones ultraextremas abre nuevas vías para explorar la superconductividad, el magnetismo y los secretos de la materia en condiciones límite.
Por Enrique Coperías
Imagen esquemática de un sensor cuántico bidimensional colocado entre dos yunques de diamante para soportar presiones extremas. Cortesía: Chong Zu
En física, la presión no es solo una metáfora. Literalmente, comprimir la materia hasta límites extremos permite a los físicos alterar sus propiedades de manera radical: materiales que eran aislantes se convierten en metales, compuestos aparentemente corrientes desarrollan superconductividad y estructuras de magnetismo se deshacen o emergen de la nada.
El problema es que acceder a esos reinos bajo condiciones tan extremas es tremendamente difícil. Ahora, un equipo internacional de científicos ha dado un paso de gigante en esta dirección al desarrollar sensores cuánticos ultrafinos capaces de sobrevivir en cámaras de altísima presión y, lo que es más importante, de revelar qué ocurre dentro de ellas con una precisión sin precedentes.
El trabajo, publicado en la revista Nature Communications por investigadores de la Universidad de Washington en San Luis, Harvard y otras instituciones, describe un dispositivo basado en materiales bidimensionales —capas de grosor atómico— que incorpora defectos cuánticos capaces de detectar simultáneamente estrés mecánico y campos magnéticos en entornos de hasta 3,5 gigapascales.
👉 Para hacerse una idea: esa presión es ¡unas 35.000 veces superior a la que sentimos al nivel del mar y comparable a la que existe a cientos de kilómetros bajo la corteza terrestre!
El papel del diamante en la ciencia de materiales
La herramienta clásica para este tipo de experimentos son las llamadas celdas de yunque de diamante (diamond anvil cells, DAC). Funcionan como una prensa microscópica: dos diamantes enfrentados aprietan una muestra minúscula, encerrada junto con un medio de transmisión de presión que reparte la fuerza de manera lo más uniforme posible.
Gracias a la dureza del diamante, se alcanzan presiones similares a las del interior de los planetas en un aparato que cabe en la palma de la mano.
Pero hay un problema: cuanto más extrema es la presión, más difícil resulta observar lo que ocurre dentro. Los métodos tradicionales, como la espectroscopía óptica y la difracción de rayos X, ofrecen información global, pero se quedan cortos cuando se trata de mapear fenómenos locales, como variaciones de tensión interna o la aparición de fases magnéticas. Aquí es donde entran en escena los sensores cuánticos.
En los últimos años se han usado en diamante unos pequeños defectos llamados centros de nitrógeno-vacante (NV) en diamante, que funcionan como diminutos imanes cuánticos muy sensibles y permiten detectar cambios en el entorno, como presión, tensión y campos magnéticos. Estos sensores han permitido observar transiciones de fase o campos magnéticos en condiciones extremas. Sin embargo, presentan limitaciones: al estar incrustados en el diamante, se sitúan fuera de la cámara donde está la muestra, lo que los aleja del fenómeno que se quiere medir. Y cuando se dispersan nanodiamantes dentro de la celda, la orientación aleatoria de cada partícula complica mucho obtener imágenes consistentes.
Un compuesto de hidrógeno, carbono y azufre logró superconductividad a 15 ºC bajo la presión de yunques de diamante, según un estudio publicado en la revista Nature en 2020. Fotografía: J. Adam Fenster / University of Rochester.
Nitruro de boro hexagonal: un material bidimensional clave
El nuevo trabajo propone una alternativa ingeniosa: usar defectos cuánticos en materiales bidimensionales, concretamente vacantes de boro cargadas negativamente (VB-) en nitruro de boro hexagonal (hBN). Este compuesto, pariente estructural del grafeno, es capaz de exfoliarse en láminas de apenas unos nanómetros de grosor.
Eso significa que los sensores cuánticos 2D se pueden colocar literalmente dentro de la cámara de alta presión, pegados a la muestra, con una proximidad de nanómetros al área de interés.
Los investigadores transfirieron una película de hBN de unas 100 nanómetros de grosor, sembrada de estos defectos cuánticos, directamente sobre el yunque de diamante. Una fina lámina de platino les permite aplicar microondas para manipular los estados de espín de los defectos, que luego se leen ópticamente gracias a su fluorescencia.
Aplicaciones: desde tecnología cuántica hasta astronomía y geología
Al comprimir la celda, los científicos observaron cómo los niveles de energía de los defectos se desplazaban de manera predecible con la presión, demostrando así que podían servir como manómetros cuánticos internos.
Lo sorprendente es que su sensibilidad era tres veces superior a la de los sensores NV tradicionales. Esto convierte a los defectos en el nitruro de boro hexagonal en candidatos ideales para explorar fenómenos en condiciones donde hasta ahora solo se disponía de datos indirectos.
«Somos los primeros en desarrollar este tipo de sensor para alta presión —afirma Chong Zu, profesor de Física y miembro del Center for Quantum Leaps de la Universidad de Washington en St. Louis. Y añade—: Podría tener una amplia gama de aplicaciones en campos que van desde la tecnología cuántica y la ciencia de materiales, hasta la astronomía y la geología».
Cómo los sensores cuánticos destapan tensiones ocultas
Una primera aplicación del nuevo trabajo fue la cartografía de gradientes de estrés dentro de la cámara. A medida que la presión aumentaba hasta unos 2 gigapascales, los sensores cuánticos en hBN revelaron que el entorno dejaba de ser perfectamente uniforme: aparecían variaciones espaciales de la tensión, atribuibles a pequeños desajustes entre los yunques de diamante o a la pérdida de hidrostaticidad del medio transmisor de presión (en este caso, cloruro sódico).
Visualizar estas tensiones internas es crucial, porque determinan cómo responde la muestra. En experimentos previos con NV en diamante ya se habían observado gradientes, pero ahora la cercanía de los sensores cuánticos 2D permitió una resolución mucho más directa y detallada.
El equipo calcula que sus sensores pueden detectar cambios muy pequeños de presión, aunque aún no igualan a los mejores sensores en diamante. Sin embargo, tienen una ventaja nada desdeñable: están situados justo en el lugar donde ocurren los fenómenos que se quieren observar.
Magnetismo bajo presión: lo que descubrieron los científicos
La segunda demostración del potencial de estos sensores cuánticos bidimensionales fue aún más espectacular. Los investigadores colocaron sobre la capa de hBN un nanocristal de Cr1+δTe2, un imán bidimensional de la familia de los llamados materiales de Van der Waals, que muestran ferromagnetismo incluso a temperatura ambiente.
Al aplicar presión, observaron cómo el campo magnético del material desaparecía abruptamente alrededor de los 0,5 gigapascales, lo que indicaba una transición de fase hacia un estado no magnético. Durante la descompresión, el magnetismo reaparecía, pero con una orientación diferente a la inicial, mostrando que el material había pasado por una reconfiguración profunda de sus interacciones electrónicas.
Estos resultados encajan con predicciones teóricas basadas en cálculos de primeros principios: al reducir el espaciado atómico bajo presión, se altera el solapamiento de orbitales electrónicos y se debilita la interacción ferromagnética que mantenía el orden magnético.
«Como los sensores están en un material que es esencialmente bidimensional, hay menos de un nanómetro —una milmillonésima de metro— entre el sensor y el material que se está midiendo», añade Zu para subrayar la enorme proximidad conseguida en este sistema.
La baza del diamante
A pesar del protagonismo del nitruro de boro hexagonal, los diamantes siguen siendo esenciales. «Para medir materiales bajo alta presión, necesitamos colocar el material en una plataforma que no se rompa», explica Guanghui He, doctorando y coautor del trabajo.
La solución fue recurrir a yunques de diamante: «La forma más sencilla de generar alta presión es aplicar una gran fuerza sobre una superficie pequeña», sice He.
Cada yunque tiene apenas 400 micrómetros de ancho, unas cuatro motas de polvo, y al presionar uno contra otro logran alcanzar los valores de presión extrema que se requieren para transformar los materiales.
Hacia la Tierra profunda y la superconductividad
El equipo ya piensa en las próximas aplicaciones. Una de ellas será usar los sensores cuánticos para estudiar minerales similares a los que existen en el manto terrestre. «Medir cómo responden estas rocas a la presión podría ayudarnos a comprender mejor los terremotos y otros fenómenos a gran escala», señala Zu.
Otra aplicación apunta a una de las fronteras más disputadas de la física contemporánea: la superconductividad a temperatura ambiente. Por ahora, los superconductores conocidos requieren bajas temperaturas y, a menudo, altísimas presiones.
Cada vez que aparece una afirmación de que se ha conseguido un superconductor a temperatura ambiente, la polémica está servida. «Con este tipo de sensor, podemos recopilar los datos necesarios para zanjar el debate», asegura Ruotian Reginald Gong, coautor principal junto a He del estudio.
El proyecto también es un ejemplo del valor de la financiación pública en ciencia. «El programa fomenta la colaboración entre universidades. Ahora que tenemos estos sensores, la cámara de alta presión y los yunques de diamante, tendremos más oportunidades de exploración», concluye Zu, en referencia a la beca de formación de la National Science Foundation que apoyó parte del trabajo y permitió colaboraciones con la Universidad de Harvard. ▪️
Información facilitada por la WashU Arts & Science
Fuente: He, G., Gong, R., Wang, Z. et al. Probing stress and magnetism at high pressures with two-dimensional quantum sensors. Nature Communications (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-63535-7
