- MICHAEL PEEL Y LESLIE HOOK
La crisis de los diamantes naturales lleva a la apuesta por la cuántica. Sensores sensibles prometen diagnósticos médicos tempranos y sistemas de navegación revolucionarios.
La compañía minera De Beers declaró hace casi 80 años que "un diamante es para siempre", y ahora el eslogan publicitario ha dado un giro para la era cuántica.
La durabilidad que hizo a la piedra tan codiciada en joyería durante milenios se está aprovechando para convertirla algún día en un sensor de vanguardia que nos permitirá leer las ondas cerebrales, navegar sin satélites y diagnosticar enfermedades de forma más rápida y eficaz.
Esta era naciente para los diamantes se basa en una inversión de las cualidades de regularidad que durante mucho tiempo los han hecho apreciados por su belleza. Al introducir diminutas imperfecciones en su estructura cristalina altamente ordenada, los científicos pueden convertirlos en un detector extraordinariamente sensible de fenómenos cuánticos subatómicos.
Los deslumbrantes nuevos usos de los diamantes forman parte de un avance más amplio en las capacidades de detección de alta especificación basadas en el curioso campo de la mecánica cuántica.
Exactamente un siglo después de que el científico alemán Werner Heisenberg construyera un marco matemático para explicar la física cuántica, el mundo se está embarcando en lo que los científicos llaman una "segunda revolución cuántica".
La primera revolución giró en torno a la comprensión del comportamiento cuántico, que sentó las bases de la era industrial de la electrónica, los láseres y los superconductores. La segunda se centra en el control preciso de esos procesos cuánticos, para abrir nuevas y profundas aplicaciones en áreas como la computación, el cifrado y la detección.
En el caso de los diamantes, su propia revolución cuántica llega en un momento en que la industria en general está en crisis. Las ventas de joyas con diamantes naturales se han desplomado desde la pandemia del Covid-19, debido en gran medida a la competencia de las piedras sintéticas baratas fabricadas en China. En este contexto desesperado, algunos en la industria ven los "diamantes tecnológicos", como los diamantes cuánticos fabricados en un laboratorio, como un potencial vehículo de crecimiento.
Gran parte del entusiasmo por las tecnologías cuánticas se ha centrado en la búsqueda de ordenadores que prometan prestaciones más allá incluso de las máquinas existentes más avanzadas. Pero mientras que los ordenadores cuánticos que sean útiles para una amplia gama de tareas siguen estando lejos, los sensores cuánticos están más cerca. Ya se están aplicando en áreas que van desde la imagenología médica hasta la navegación y los relojes ultraprecisos.
Medición precisa
La idea del "salto cuántico" se ha utilizado durante mucho tiempo como un cliché para describir un avance extraordinario en las capacidades tecnológicas. Pero el poder de las tecnologías cuánticas en la detección reside en su capacidad para medir cambios diminutos, en lugar de los muy grandes.
El concepto de cuantos en física se refería inicialmente a las cantidades específicas —o "paquetes" discretos— de energía transferida por la luz incandescente u otras formas de radiación sobre los objetos. Dependiendo del tamaño del cuanto de energía, esta entrada puede cambiar propiedades medibles en los átomos, como sus rotaciones, vibraciones y el comportamiento de sus electrones.
En este ámbito submicroscópico, observamos efectos cuánticos que a veces parecen extraños comparados con el comportamiento de los objetos en el mundo tal como lo experimentamos.
Los Premios Nobel otorgados en diciembre de 2025 son un buen ejemplo. El galardón de física está relacionado con un efecto mecánico conocido como "efecto túnel cuántico". Se refiere a cómo las partículas cuánticas a veces parecen no estar bloqueadas por barreras físicas, sino que pueden aparecer al otro lado de ellas. La analogía en la experiencia humana sería si una pelota de tenis lanzada contra una pared la atravesara sin dejar un agujero.
Estos procesos son frágiles y se rompen rápidamente ante la interferencia de factores ambientales externos, como vibraciones o campos magnéticos. Esto significa que necesitan un material resistente que los proteja, y que en sí mismo aporte un ruido mínimo.
Aquí es donde entra en juego el diamante, la sustancia natural más dura sobre la Tierra. Es resistente a las vibraciones gracias a su rígido entramado cristalino de átomos de carbono, unidos por fuertes enlaces químicos. La mayoría de los átomos de carbono tienen propiedades intrínsecas a sus núcleos que crean un entorno magnéticamente "silencioso" para que se produzcan los efectos cuánticos.
Las propiedades cuánticas de los diamantes se descubrieron, en parte, de manera fortuita hace 20 años. Una piedra rosa natural extraída en Siberia, conocida como "diamante mágico ruso", fue tallada y enviada a laboratorios de todo el mundo. Esto desencadenó una avalancha de artículos científicos sobre su inusual capacidad para mantener un estado cuántico a temperatura ambiente.
Los esfuerzos por encontrar otro "diamante mágico" mediante la minería no dieron frutos, pero los científicos adquirieron en última instancia la capacidad de fabricar diamantes cuánticos en laboratorios.
Una de estas piedras se encuentra en el campus científico de Harwell en Oxfordshire, en un laboratorio dirigido por el fabricante de diamantes industriales Element Six. Es un diminuto cubo rosa, más pequeño que la punta de un dedo, incrustado en un sensor de plástico negro.
Dentro de este diamante sintético se encuentra el llamado centro de nitrógeno-vacante. Esto significa que las ubicaciones adyacentes en el cristal, normalmente ocupadas por dos átomos de carbono, albergan en su lugar un átomo de nitrógeno y un espacio vacío donde ninguno de los dos elementos está presente.
La acción cuántica tiene lugar en el centro de nitrógeno-vacante y se relaciona con los electrones que se encuentran allí y con una propiedad variable que poseen, conocida como espín cuántico. Este espín adopta diferentes estados según los campos electromagnéticos o magnéticos aplicados externamente, de forma similar a como se mueven los imanes de barra en los experimentos de física escolar en respuesta entre sí.
"Piense en el centro de nitrógeno-vacante como una brújula; en realidad, esa brújula es un sensor de fuerza magnética", explica el científico Daniel Twitchen, tecnólogo jefe de Element Six.
Los cambios son detectables porque hacen que el centro de nitrógeno-vacante emita una luz más brillante o más oscura, dependiendo de los estados de espín de los electrones. Esto hace que los diamantes cuánticos sean muy adecuados para detectar cambios minúsculos. Es tan sensible a los cambios en el campo magnético que puede detectar un coche circulando por la calle frente al edificio a cien metros de distancia, afirma Twitchen.
Estos diamantes cuánticos han sido nanodiseñados añadiendo nitrógeno durante el proceso de crecimiento, creando así los centros de nitrógeno-vacante.
Element Six, llamada así porque el carbono es el sexto elemento de la tabla periódica, es una de las pocas empresas comerciales que lideran la revolución de la detección cuántica.
Aunque fabricó su primer diamante cuántico hace más de 15 años, ha sido recientemente cuando el proceso ha mejorado lo suficiente como para producirlos de forma fiable y asequible (hoy en día se puede comprar un diamante cuántico por unos pocos miles de euros). Y la tecnología necesaria para integrar el diamante cuántico en un "lector" electrónico también ha avanzado mucho.
"Hasta ahora, gran parte del trabajo se ha centrado en la ciencia del diamante", explica Twitchen. "La clave ahora es: ¿cómo introduzco ese diamante en el sistema y en la electrónica que lo rodea?".
La empresa ingresa unos 300 millones de dólares anuales por la venta de diamantes industriales, que se utilizan principalmente para esmerilar, pulir y taladrar. Y apuesta a que los "diamantes tecnológicos", incluidos los diamantes cuánticos y los utilizados en láseres y semiconductores, serán su futuro.
"Estamos entrando en una nueva era de diamantes sintéticos", afirma Siobhán Duffy, consejera delegada de Element Six. "Vemos enormes oportunidades de cara al futuro".
Aún quedan grandes interrogantes sobre si la detección cuántica será tan útil en la vida real como en el laboratorio, y cuándo se volverá comercialmente viable esta tecnología. Otros materiales también pueden producir efectos cuánticos medibles útiles. Entre ellos figura el grafeno (que, al igual que el diamante, es una forma de carbono), así como los materiales que contienen silicio.
Pero una gran ventaja del diamante es que puede utilizarse a temperatura ambiente y a presión atmosférica con equipos comerciales.
Element Six está participado mayoritariamente por de De Beers, que forma parte de la minera Anglo American (el grupo belga Umicore tiene una participación del 40% en su unidad de abrasivos) y es la empresa occidental más avanzada en la fabricación de diamantes cuánticos, según los investigadores. Otras empresas en este campo incluyen la australiana Quantum Brilliance, que inauguró una fundición de diamantes cuánticos el pasado noviembre, y la start up alemana QuantumDiamonds, que fabrica herramientas de prueba para la industria de semiconductores.
Aplicaciones
Al igual que en otras áreas de la ciencia de vanguardia, aún no está del todo claro dónde surgirá el primer éxito comercial para los diamantes cuánticos.
Katrin Kobe, consejera delegada de Bosch Quantum Sensing, filial del grupo de ingeniería alemán Robert Bosch, afirma que su equipo planteó más de 100 posibles aplicaciones cuando se fundó el grupo cuántico hace tres años.
Recuerda cómo en 2022 los sensores de diamantes cuánticos ocupaban "media habitación y costaban tanto como una casa familiar". Hoy en día, tienen el tamaño de un smartphone, y los costes han bajado.
Un mercado potencial es la navegación aérea, donde los sensores cuánticos podrían algún día sustituir la actual dependencia de los satélites del Sistema de Posicionamiento Global (GPS), que pueden ser fácilmente manipulados o engañados.
Para ello, será necesario elaborar un mapa magnético de la Tierra, además de obtener la aprobación de las autoridades de la aviación, señala Kobe. Pero esta aplicación podría ser revolucionaria, especialmente en un momento de creciente preocupación mundial sobre la fiabilidad y vulnerabilidad del GPS.
La exploración geológica de la corteza terrestre es otro caso de uso temprano de esta tecnología: los sensores cuánticos podrán detectar pequeños cambios en el campo magnético, que indican depósitos minerales.
A largo plazo, Kobe cree que los sensores cuánticos de diamante serán valiosos para la interfaz cerebro-computadora, que estima que podría convertirse en un mercado de 5.000 millones de dólares algún día. "Nuestra visión es tener un sensor tan pequeño y sensible que pueda medir señales cerebrales y convertirlas en acción", afirma. "Que se pueda controlar una máquina con el pensamiento".
Pero el enfoque principal de las primeras aplicaciones de esta tecnología es la medicina. Uno de los primeros usos potenciales, actualmente en fase de prueba, podría reemplazar el electrocardiograma, un procedimiento rutinario que se realiza colocando múltiples sensores en el pecho del paciente para medir el comportamiento cardíaco. Un dispositivo médico de detección cuántica podría obtener la misma información simplemente colocándose cerca del corazón del paciente, sin necesidad de electrodos.
Otra área prometedora es el uso de diamantes con vacantes de nitrógeno para detectar los virus que causan enfermedades como el Covid-19 y el VIH/SIDA en una etapa más temprana que las pruebas existentes.
Los científicos han descubierto que los nanodiamantes cuánticos funcionan mejor que materiales como las nanopartículas de oro utilizadas en las llamadas pruebas rápidas de antígenos. Los más conocidos son los kits de flujo lateral que se hicieron famosos durante la pandemia del Covid.
Una prueba basada en nanodiamantes mostró una sensibilidad analítica aproximadamente 1.000 veces mayor que la de los kits existentes, según un estudio publicado en Nature Communications en octubre. Esto significó que pudo detectar concentraciones virales mucho más bajas, lo que permitió un diagnóstico más temprano, crucial tanto para el tratamiento de pacientes como para frenar la propagación de enfermedades.
Los investigadores están examinando otros posibles casos de uso. La Universidad de Nottingham, en Reino Unido, cuenta con un Centro de Investigación de Detección Cuántica mediante Diamantes que explora aplicaciones como el seguimiento de reacciones químicas peligrosas y la monitorización de la captura y el almacenamiento de carbono. Afirma que la tecnología podría ser útil para muchos sectores cruciales, como la sanidad, la seguridad alimentaria y la defensa.
Todos estos esfuerzos están a la vanguardia de los extraordinarios avances en el campo de la detección. El deleite estético de un diamante puede seguir durando para siempre, pero un diamante cuántico puede obrar su propia magia en una diminuta fracción de segundo.
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