Científicos de la Universidad de Warwick descubren “puntos calientes” alrededor de defectos atómicos en diamantes, desafiando las suposiciones sobre el mejor conductor de calor del mundo. El diamante, conocido en la ciencia de materiales por ser el mejor conductor térmico natural en la Tierra, ha revelado a través de una nueva investigación que, a escala atómica, puede atrapar calor brevemente de maneras inesperadas. Estos hallazgos podrían influir en el diseño de tecnologías cuánticas basadas en diamantes, incluyendo sensores ultrapr precisos y computadoras cuánticas del futuro.
En un estudio publicado en Physical Review Letters, investigadores de la Universidad de Warwick y colaboradores demostraron que cuando ciertos defectos a escala molecular en el diamante son excitados con luz, crean diminutos y efímeros “puntos calientes” que distorsionan momentáneamente el cristal circundante. Estas distorsiones duran solo unos pocos billonésimos de segundo, pero son suficientes para afectar el comportamiento de los defectos relevantes para la mecánica cuántica.
Un descubrimiento inesperado en la física del diamante
“Encontrar un estado fundamental caliente para un defecto a escala molecular en el diamante fue extremadamente sorprendente para nosotros”, explicó el profesor James Lloyd-Hughes del Departamento de Física de la Universidad de Warwick. “El diamante es el mejor conductor térmico, así que uno esperaría que el transporte de energía prevenga cualquier efecto como este. Sin embargo, a escala nanométrica algunos fonones – paquetes de energía vibracional – permanecen cerca del defecto, creando un ambiente caliente miniatura que presiona sobre el propio defecto.”
El equipo estudió un defecto atómico específico en el diamante donde un átomo de nitrógeno ocupa el lugar de un átomo de carbono y se une al hidrógeno, conocido como defecto Ns:H-C0. Cuando los investigadores excitaban el enlace C–H del defecto con pulsos láser infrarrojos ultrarrápidos, esperaban que el calor se disipara inmediatamente en la red del diamante.
No obstante, espectroscopía avanzada reveló un efecto curioso: el defecto ingresaba brevemente en lo que los científicos llaman un ‘estado fundamental caliente’, lo que significa que el cristal circundante seguía caliente y el defecto estaba alterado. La acumulación de energía vibracional cercana desplazaba la firma infrarroja del defecto hacia una energía superior, alcanzando su punto máximo tras unos pocos picosegundos antes de decaer.
Implicaciones para tecnologías cuánticas
El Dr. Junn Keat, investigador postdoctoral del Departamento de Física de la Universidad de Oxford y exalumno del doctorado en Warwick dijo: “Para este estudio utilizamos espectroscopía coherente multidimensional (2DIR) para estudiar el defecto, lo que nos permite separar la respuesta del defecto producida por luz con diferentes energías.”
“Es la primera vez que aplicamos esta técnica al estudio de defectos en diamantes, y la observación directa de la formación del estado fundamental caliente superó nuestras expectativas. Estamos muy satisfechos con los resultados de este enfoque novedoso y emocionados por ver qué más podemos estudiar con esta técnica.”
Los investigadores también explicaron por qué el diamante no elimina esta energía instantáneamente. El defecto libera su energía generando fonones particulares con alta energía – tipos de vibraciones que no viajan lejos. Estos fonones se mueven lentamente y dispersan rápidamente, creando una burbuja diminuta de calor alrededor del defecto antes de eventualmente decaer a vibraciones más rápidas que transportan calor.
La Dra. Jiahui Zhao, del Departamento de Física de la Universidad de Warwick añadió: “El calentamiento local momentáneo es importante porque los defectos son sistemas cuánticos pequeños y sensibles; incluso cambios fugaces en su entorno pueden afectar su estabilidad, precisión y utilidad en tecnologías cuánticas.”
Defectos como los centros vacantes nitrogenados (NV) y vacantes silicio (SiV) en diamantes sirven como sensores sensibles y bloques constructivos para procesamiento cuántico. Su rendimiento depende de mantener estables sus estados espín – estos estados espín están fuertemente influenciados por las vibraciones en la red circundante.
Nuevas perspectivas sobre dispositivos cuánticos basados en diamantes
Los nuevos hallazgos indican que las técnicas ópticas utilizadas para controlar defectos pueden generar inadvertidamente pequeños picos térmicos efímeros. Estos aumentos locales en temperatura pueden alterar sutilmente los estados espín, afectando potencialmente los tiempos de coherencia y el rendimiento general de dispositivos cuánticos basados en diamantes.
FINALES
Notas para editores:
'Distorsión Inducida por Fonones Calientes en Defectos Diamantinos a Escalas Ultrarrápidas' está publicado en Physical Review Letters. DOI: https://doi.org/10.1103/mvdf-bdrx
Acreditaciones fotográficas:
Muestra de diamante conteniendo el defecto NsH-C0 bajo iluminación UV – Junn Keat / Universidad de Warwick.
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