Investigación cuántica en la TU Wien
Desde los agujeros negros y las ecuaciones fundamentales del universo hasta la tecnología aplicada: el espectro de la investigación cuántica en la TU Wien (Viena) es especialmente amplio.
Cuando TU Wien se fundó hace más de 200 años, nadie había oído hablar de la física cuántica. La gente seguía inmersa en la era de la mecánica clásica y la teoría de la electricidad era más una colección de extrañas curiosidades que una auténtica teoría científica.
Desde entonces, no sólo la física ha cambiado por completo, sino también la TU Wien, por supuesto. Hoy es la mayor institución austriaca de investigación y enseñanza en el campo de la tecnología y las ciencias naturales, con más de 4.000 científicos que investigan y enseñan en ocho facultades. Más de 26.000 estudiantes se forman en la TU Wien, incluso en un programa de máster dedicado "Ciencia y Tecnología de la Información Cuántica". El éxito de la investigación cuántica en la TU Wien se refleja en numerosas publicaciones de alto perfil y prestigiosos premios internacionales - incluyendo el Premio Nobel de Física.
El Atominstitut (Instituto de Física Atómica y Subatómica) y su reactor
El Atominstitut de la TU Wien, que opera su propio reactor nuclear en el Prater de Viena desde 1962, desempeña un papel especialmente importante en la investigación cuántica. El reactor de investigación sirve principalmente como fuente de neutrones. Los neutrones que suministra se siguen utilizando hoy en día para realizar numerosos experimentos en diversas subdisciplinas de la física, desde cuestiones fundamentales de la teoría cuántica hasta la determinación de la edad de artefactos históricos.
El reactor de investigación TRIGA MARK II en el Atominstitut de la TU Wien en 2010
Foto: TU Wien
Sin embargo, el reactor del Prater también tiene un significado especial en la historia de la ciencia. El 11 de enero de 1971, el profesor Helmut Rauch consiguió por primera vez utilizar este reactor para enviar neutrones a su destino a través de dos trayectorias físico-cuánticas diferentes y separadas, en las que se superponían unas a otras de forma ondulatoria - una prueba importante de que incluso las partículas masivas exhiben propiedades físico-cuánticas ondulatorias. Esto estableció un campo de investigación completamente nuevo: la interferometría de ondas de materia.
Interferómetro de neutrones, Helmut Rauch
Foto: TU Wien
En la actualidad, en el Atominstitut de la TU Wien se investiga una amplia gama de cuestiones de física fundamental. Se realizan experimentos con nubes atómicas ultrafrías, que pueden manipularse con ayuda de chips atómicos especiales fabricados en la TU Wien. Se están desarrollando tecnologías en los campos de la comunicación cuántica, la información cuántica y la simulación cuántica. En los sistemas cuánticos híbridos, los enfoques de la tecnología cuántica se combinan de nuevas formas; la microscopía electrónica clásica se combina con métodos modernos de metrología cuántica. Se llevan a cabo experimentos de precisión para investigar la conexión entre la teoría cuántica y la gravedad. Se ocupan de la física de partículas, la superconductividad, la protección contra las radiaciones y mucho más. Esto nos lleva a algunas de las cuestiones más fundamentales de la física: ¿Qué es realmente el tiempo? ¿Por qué sólo va siempre en una dirección? ¿Cómo se relaciona el mundo de las pequeñas partículas cuánticas con nuestro mundo de objetos grandes y cotidianos?
En 2024 se logró un avance especialmente importante en el campo de la metrología cuántica: por primera vez se encontró un estado nuclear del elemento torio largamente buscado y se hizo apto para su uso técnico, un requisito previo importante para las mediciones de alta precisión que pueden utilizarse, por ejemplo, para construir un reloj atómico que puede superar significativamente la precisión de los relojes atómicos actuales.
Un rayo láser cambia el estado de los nucleui de torio, que están incrustados en un cristal
Foto: TU Wien
De lo teórico a lo aplicado
En el Instituto de Física Teórica de la Universidad Técnica de Viena se examinan áreas muy diferentes de la teoría cuántica. Por un lado, se investigan las interacciones fundamentales: aquí se investigan las fuerzas subyacentes del universo utilizando métodos de la teoría cuántica de campos y de la teoría de cuerdas. Esto permite, por ejemplo, sacar conclusiones sobre los estados ultrarrápidos de la materia, tal y como existían inmediatamente después del Big Bang o tal y como pueden observarse en las colisiones de partículas pesadas en el CERN. También se está investigando cómo combinar la teoría cuántica con la teoría de la relatividad, por ejemplo, cuando se trata de cuestiones abiertas sobre cosmología y agujeros negros.
Al mismo tiempo, el Instituto de Física Teórica también investiga la interacción entre la materia y la luz, un tema que ha dado forma a la teoría cuántica desde la "hipótesis luz-cuántica" de Einstein en 1905. Hoy en día, las ecuaciones de la teoría cuántica pueden utilizarse para calcular cómo reaccionan los átomos a los pulsos de luz, qué efectos cuánticos pueden producirse en distintos materiales y cómo se relacionan los efectos ópticos con los electrónicos.
El Instituto de Física del Estado Sólido también utiliza las ecuaciones básicas de la teoría cuántica para calcular las propiedades de diversos materiales. Esto requiere a menudo simulaciones informáticas muy complejas, para las que se utilizan superordenadores altamente paralelizados. También se llevan a cabo experimentos sobre cuestiones fundamentales de la investigación cuántica, por ejemplo con materiales cuánticos en el laboratorio de micro Kelvin, que cambian drásticamente su comportamiento justo por debajo de cero Kelvin.
Unidad frigorífica de dilución en el Laboratorio micro-kelvin de Viena
Foto: TU Wien
La investigación cuántica es también un punto central del Instituto de Física Aplicada de la TU Wien. Por ejemplo, se investigan las propiedades de las superficies a escala atómica para descifrar qué efectos físicos atómicos influyen en la eficacia de los catalizadores. El campo de investigación de la física de superficies también desempeña un papel importante en la investigación de la fusión nuclear: en reactores de fusión como el ITER en Francia, es necesario saber exactamente cómo interactúan las partículas cuánticas de alta energía con el material de la pared del reactor para predecir si ésta puede soportar el bombardeo de partículas.
Química, electrónica, fotónica - y el Premio Nobel
Por supuesto, la investigación cuántica en la TU Wien no se limita exclusivamente al campo de la física. La teoría cuántica también es crucial en la investigación fundamental actual en el campo de la química - por ejemplo en la química de materiales, cuando se quiere explicar el mecanismo exacto de las reacciones químicas en diferentes superficies de materiales. O en la química teórica, donde se están desarrollando nuevas tecnologías para predecir reacciones químicas mediante cálculos - ahora también utilizando métodos de inteligencia artificial.
La investigación cuántica también se ha convertido en parte integrante de la ingeniería eléctrica, donde se están desarrollando nanoestructuras semiconductoras o los llamados "átomos artificiales" a partir de novedosos materiales bidimensionales. Las posibilidades que ofrece la teoría cuántica pueden utilizarse para crear determinados efectos electrónicos (como en el campo de la espintrónica) y desarrollar nuevos tipos de fuentes de luz - por ejemplo, láseres de cascada cuántica personalizados que emiten longitudes de onda de luz muy específicas. Se están desarrollando nuevos métodos para controlar los sistemas cuánticos de forma selectiva, y nuevos tipos de sensores cuánticos permiten realizar mediciones de gran precisión.
El profesor Ferenc Krausz realizó investigaciones en el Instituto de Fotónica en los años 90 y batió récords mundiales en el proceso: utilizando trucos de la física cuántica, consiguió generar los pulsos de luz más cortos del mundo y los utilizó para estudiar el comportamiento de los electrones en los átomos. En 2023 le concedieron el Premio Nobel de Física por este trabajo, que había realizado con su equipo en el laboratorio de fotónica de la Gusshausstrasse de Viena.
