Durante generaciones, una simple bombilla ha representado el milagro cotidiano de transformar electricidad en luz. Pero ¿qué pasa si se quisiera hacer brillar solo un átomo? No una lámpara, ni un filamento, ni siquiera una molécula entera, sino una única unidad de materia. Esa hazaña, que podría parecer sacada de la ciencia ficción, ya es una realidad. Y no es un truco de laboratorio, sino un paso crucial hacia una nueva era tecnológica.
Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Argonne (EE. UU.) y la Universidad de Illinois ha logrado lo que hasta hace poco parecía imposible: identificar, controlar y fabricar emisores de luz a nivel atómico en un material ultrafino llamado nitruro de boro hexagonal. El estudio, publicado en la revista Advanced Materials, demuestra cómo se puede generar luz desde un solo átomo modificado y utilizar esa luz para aplicaciones en computación cuántica, comunicaciones seguras y sensores de altísima precisión.
Una luz azul en el nanomundo
El trabajo se centra en los emisores cuánticos, pequeñas “imperfecciones” en un material que pueden emitir fotones (partículas de luz) de forma controlada, uno por uno. Estos emisores son valiosos porque funcionan como interruptores ópticos, capaces de enviar bits de información en forma de luz. Pero hasta ahora, entender cómo funcionan y cómo fabricarlos con precisión era uno de los grandes desafíos de la nanotecnología.
Los investigadores utilizaron un microscopio especializado, llamado QuEEN-M, que combina imágenes de transmisión electrónica con una técnica conocida como catodoluminiscencia. Gracias a esta herramienta, pudieron estudiar con un detalle sin precedentes qué estructuras atómicas generan estos emisores y cómo varía su comportamiento según el entorno. "El desafío de estudiar emisores cuánticos es que su comportamiento óptico está determinado por su estructura atómica, algo muy difícil de observar directamente", explica el investigador Jianguo Wen en el artículo original.
El hallazgo más llamativo es que uno de los emisores detectados emite luz azul con una longitud de onda de 440 nanómetros, y que su origen se encuentra en un dímero de carbono: dos átomos de carbono colocados uno encima del otro, incrustados en el material. Esa estructura, conocida como VACD (dímero de carbono intersticial vertical), es responsable de la emisión de luz observada.
De ver a construir: la ingeniería cuántica empieza aquí
Detectar la estructura responsable de emitir luz es solo el primer paso. Lo revolucionario de este trabajo es que no solo observaron ese punto brillante, sino que demostraron que podían crear emisores cuánticos a voluntad. ¿Cómo? Recubrieron el material con una capa delgada de carbono y aplicaron un haz de electrones en zonas específicas. Cuando aparecía el pico de emisión azul, detenían el haz inmediatamente. Así, colocaban emisores individuales exactamente donde querían.
Esto marca un giro profundo en la nanotecnología: ya no se trata solo de encontrar emisores, sino de fabricarlos con precisión de nanómetros. En palabras del científico Thomas Gage, "una vez que pudimos conectar la estructura atómica con la luz que emite, se abrió la puerta a la ingeniería precisa de estos emisores cuánticos".
Este avance tiene implicaciones directas en el diseño de futuros dispositivos cuánticos. Al poder situar los emisores donde se necesiten, se facilita la construcción de circuitos ópticos cuánticos, donde cada fotón viaja por caminos definidos con precisión. Además, abre la posibilidad de integrar estos emisores con otros componentes en un chip, mejorando la eficiencia y reduciendo errores.
Una técnica que amplifica la luz hasta 120 veces
Uno de los obstáculos técnicos más complejos para estudiar emisores cuánticos es que, para ver su estructura atómica, se necesitan materiales muy delgados. Pero para detectar la luz que emiten, hace falta más grosor. Esta paradoja ha dificultado durante años la investigación. El equipo de Argonne solucionó este problema aprovechando una propiedad muy particular del material: al girar ligeramente las capas de nitruro de boro, se crea una interfaz “retorcida” que multiplica la intensidad de la luz emitida hasta 120 veces.
Este efecto, llamado catodoluminiscencia mejorada en interfaces torcidas, permite obtener imágenes detalladas de los emisores con una precisión de localización inferior a 1 nanómetro. Gracias a esto, pudieron analizar individualmente emisores que antes eran invisibles entre la multitud de defectos materiales. En el artículo científico explican que con esta técnica fue posible realizar un “mapeo hiperespectral” que distingue claramente emisores separados por tan solo 20 nanómetros.
Este avance técnico no solo beneficia el estudio del nitruro de boro. El mismo principio podría aplicarse a otros materiales bidimensionales, como el grafeno o los disulfuros metálicos, abriendo nuevas rutas en la creación de dispositivos fotónicos y cuánticos.
¿Por qué importa un solo fotón?
La computación cuántica no es solo una mejora de los ordenadores actuales, sino un cambio de paradigma. En lugar de bits que pueden estar encendidos o apagados, se trabaja con qubits, unidades que pueden estar en múltiples estados a la vez. Uno de los caminos para construir estos qubits es usar fotones individuales, emitidos por emisores cuánticos como los estudiados en este trabajo.
La posibilidad de emitir un solo fotón bajo demanda, y de hacerlo desde un punto exacto en un chip, permite construir redes cuánticas donde la información se transmite de forma segura y sin interferencias. Además, al entender cómo se comporta cada emisor, se pueden personalizar sus propiedades: longitud de onda, intensidad, durabilidad. Este control es esencial para escalar las tecnologías cuánticas y convertirlas en productos reales.
Además, este tipo de emisores tiene aplicaciones en sensores extremadamente precisos, que pueden detectar variaciones mínimas de temperatura, presión o campos magnéticos. Y al poder diseñarlos a medida, se abren nuevas posibilidades en medicina, medioambiente y exploración espacial.
Más allá del laboratorio: un camino hacia la fabricación industrial
Aunque este avance se ha logrado en condiciones de laboratorio, con microscopios y haces de electrones muy especializados, el principio de funcionamiento puede adaptarse a procesos industriales. Los investigadores han demostrado que se puede recubrir el material con carbono y usar un haz controlado para crear emisores. Es un primer paso hacia una fábrica de emisores cuánticos, donde cada uno tenga una posición y función definidas.
Esto implica que, en un futuro, podríamos tener chips cuánticos con miles o millones de emisores personalizados, funcionando en red para procesar información con una eficiencia jamás vista. La catodoluminiscencia, una técnica poco conocida fuera de la investigación, podría convertirse en la base de la próxima generación de microfabricación.
"La capacidad de colocar estos fotones con alta precisión es crucial para los dispositivos cuánticos del mañana", afirma el investigador Benjamin Diroll en el artículo. Su afirmación no es una predicción lejana, sino una hoja de ruta tecnológica que ya ha empezado a cumplirse
Referencias
- Hanyu Hou, Muchuan Hua, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Wei-Ying Chen, Kaijun Yin, Pinak Tripathi, Maria K.Y. Chan, Benjamin T. Diroll, Thomas E. Gage, Jian-Min Zuo, Jianguo Wen. Nanometer Resolution Structure‐Emission Correlation of Individual Quantum Emitters via Enhanced Cathodoluminescence in Twisted Hexagonal Boron Nitride. Advanced Materials (2025). https://doi.org/10.1002/adma.202501611.
