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, reconocido en la ciencia de los materiales como el mejor conductor de calor natural de la Tierra, revela en una nueva investigación que, a escala atómica, puede atrapar el calor de forma inesperada y breve. Estos hallazgos podrían influir en la forma en que los científicos diseñan tecnologías cuánticas basadas en diamantes, incluyendo sensores de ultraprecisión y futuras computadoras cuánticas.
Un estudio publicado en Physical Review Letters, realizado por investigadores de la Universidad de Warwick y colaboradores, demostró 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 trillones de segundos, pero son lo suficientemente largas como para afectar el comportamiento de los defectos relevantes para la cuántica.
«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, por lo que se esperaría que el transporte de energía previniera cualquier efecto de este tipo. Sin embargo, a nanoescala, algunos fonones – paquetes de energía vibratoria – permanecen cerca del defecto, creando un minúsculo entorno caliente que ejerce presión 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 a hidrógeno, conocido como el defecto Ns:H-C0. Cuando los investigadores excitaban el enlace C-H del defecto con pulsos infrarrojos láser ultrarrápidos, esperaban que el calor se disipara inmediatamente en la red cristalina del diamante.
En cambio, una espectroscopía avanzada reveló un efecto curioso: el defecto entraba brevemente en lo que los científicos denominan un ‘estado fundamental caliente’, lo que significa que el cristal circundante aún estaba caliente y el defecto se alteraba. La presencia de energía vibratoria acumulada cerca desplazó la firma infrarroja del defecto a una energía más alta, alcanzando su punto máximo y luego decayendo en unos pocos picosegundos.
La Dra. Junn Keat, investigadora postdoctoral del Departamento de Física de la Universidad de Oxford y ex estudiante de doctorado de 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 la luz con diferentes energías.
«Esta es la primera vez que aplicamos esta técnica al estudio de los defectos del diamante, y la observación directa de la formación de un estado fundamental caliente superó nuestras expectativas. Estamos muy satisfechos con los resultados de este nuevo enfoque y estamos entusiasmados por ver qué más podemos estudiar con esta técnica.»
El equipo también explicó por qué el diamante no elimina esta energía instantáneamente. El defecto libera su energía generando fonones particulares de alta energía – tipos de vibraciones que no viajan lejos. Estos fonones se mueven lentamente y se dispersan rápidamente, creando una pequeña burbuja de calor alrededor del defecto antes de que finalmente se descompongan en vibraciones más rápidas que transportan el 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 diminutos y sensibles, e incluso los cambios fugaces en su entorno pueden afectar su estabilidad, precisión y utilidad en las tecnologías cuánticas.»
Defectos como los centros de nitrógeno-vacancia (NV) y silicio-vacancia (SiV) en el diamante sirven como sensores sensibles y bloques de construcción para el procesamiento de información cuántica. Su rendimiento depende de mantener estables sus estados de espín, y estos estados de espín se ven fuertemente influenciados por las vibraciones en la red circundante.
Los nuevos hallazgos indican que las técnicas ópticas utilizadas para controlar los defectos pueden generar involuntariamente pequeños y efímeros bolsillos de calor. Estos picos de temperatura locales pueden perturbar sutilmente los estados de espín, lo que podría afectar los tiempos de coherencia y el rendimiento general de los dispositivos cuánticos basados en diamantes.
