Un máser integrado en un chip gracias a una unión Josephson

Dibujo20170303 Scanning electron microscopy device squid tunable Josephson junction sciencemag org 355 6328 939

Un máser es un láser de microondas. Los cubits superconductores se suelen controlar mediante microondas. Se publica en Science el desarrollo de un máser integrado en un chip. Está basado en una unión Josephson superconductora insertada en una cavidad resonante para microondas. La integración en chip promete muchas aplicaciones prácticas, sobre todo en ordenadores cuánticos; eso sí, habrá que esperar a futuras versiones mejoradas de este prototipo.

Recuerda que máser son las iglas de microwave amplification by stimulated emission of radiation, igual que láser son las de light amplification by stimulated emission of radiation. El primer láser fue fabricado por Maiman en 1960 inspirado en el primer máser fabricado por Townes, Gordon y Zeiger en 1953; el premio Nobel de Física 1964 premió a Townes, Basov y Prokhorov por el máser, tras el éxito del láser (que nunca recibió un Nobel específico).

Quizás sorprenda que fabricar un máser integrado en chip haya sido mucho más difícil que un láser integrado en chip. En los últimos años muchos lo han intentado. Superado el logro inicial, los diseños más refinados no tardarán en llegar. El artículo es M. C. Cassidy, A. Bruno, …, L. P. Kouwenhoven, “Demonstration of an ac Josephson junction laser,” Science 355: 939-942355: 939-942 (03 Mar 2017), doi: 10.1126/science.aah6640.

Dibujo20170303 Illustration of the operating principle of the device sciencemag org 355 6328 939

Se llama efecto Josephson a la aparición de una corriente eléctrica por efecto túnel entre dos superconductores separados por una barrera (Josephson recibió el premio Nobel de física en 1973 por predecir este efecto 1962). Los pares de Cooper atraviesan la barrera por efecto túnel, tanto si ésta es un dieléctrico (aislante) como si es un metal (conductor en un estado que no sea superconductor). En 1963 se fabricó el primer diodo Josephson (o unión Josephson) que aprovecha este efecto. Hay dos tipos de efecto Josepshson, en continua (DC) y en alterna (AC). El nuevo máser integrado en chip usa el efecto en alterna, que se comporta como un convertidor voltaje/frecuencia; los populares dispositivos SQUID para medir campos magnéticos débiles usan el efecto Josephson en continua.

Dibujo20170303 Operating regimes of the Josephson laser sciencemag org 355 6328 939

Una unión Josephson se comporta como un átomo con dos niveles energéticos, pero para pares de Cooper en lugar de electrones individuales. Igual que un átomo, la unión muestra emisión espontánea de radiación en una transición del nivel excitado al fundamental (la llamada superradiación Josephson predicha por Tilley en 1970). Su intensidad es muy baja y hay que amplificarla introduciendo la unión en una cavidad resonante. Desde 2014 se han logrado fabricar láseres usando esta idea, pero el objetivo de los investigadores era lograr alcanzar el régimen de las microondas, o sea, fabricar máseres.

Dibujo20170303 Frequency comb generation sciencemag org 355 6328 939

En el nuevo trabajo se acopla la unión Josephson con un resonador tipo guía de onda coplanar de media onda superconductora. Su frecuencia de resonancia es de 5,6 GHz y está fabricada con un tira de 20 nm de grosor de NbTiN. Todo el dispositivo opera a 15 mK (0,015 grados sobre el cero absoluto). La frecuencia de emisión y la duración de la emisión dependen de la temperatura, esta última empeora conforme la temperatura crece (se ha estudiado hasta 1 K). Lo más interesante es que se pueden emitir peines de frecuencias, como el mostrado en esta figura, lo que promete aplicaciones muy interesantes.

En resumen, se ha desarrollado un máser integrado en chip que emite microondas coherentes (tipo luz láser). Todavía la eficiencia y, por tanto, la intensidad emitida son bajas. Pero en un campo tan activo en los últimos años, sobre todo por su uso potencial en ordenadores cuánticos con cubits superconductores, pronto habrá importantes mejoras. El futuro de este tipo de dispositivos, en mi opinión, es muy prometedor.


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