Un equipo de físicos ha conseguido este gran avance a escala nanométrica que podría ayudarnos a comprender mejor la mecánica cuántica.
La mecánica cuántica es la responsable de examinar el comportamiento del universo a la escala más pequeña: átomos y partículas subatómicas que funcionan de formas que la física tradicional es incapaz de explicar. Para ello, los investigadores tratar de lograr que objetos -cada vez de mayor tamaño- se comporten de forma cuántica para dar respuesta a todas estas incógnitas.
En este experimento, un equipo de científicos de la ETH Zurich consiguieron hacer levitar una nanoesfera de vidrio utilizando luz láser y ralentizar su movimiento a su estado mecánico cuántico más bajo, “parar el tiempo” en la esfera de 10 millones de átomos de 100 nanómetros de ancho (1.000 veces más pequeño que el grosor de un cabello humano), pudiendo observar este efecto a escala macroscópica -ya que en física cuántica, 10 millones de átomos es un objeto bastante grande-.
Este avance podría ayudarnos a comprender mejor la mecánica cuántica acercándola a nuestro tamaño y empleándola en muchas más tecnologías.
«Esta es la primera vez que se ha utilizado un método de este tipo para controlar el estado cuántico de un objeto macroscópico en el espacio libre», comenta Lukas Novotny, profesor de fotónica de ETH Zurich en Suiza y coautor del trabajo que publica la revista Nature.
Acercando el movimiento del objeto a cero
Para llevar a cabo con éxito este experimento, los investigadores usaron un recipiente al vacío enfriado a -269 grados Celsius antes de usar un sistema de retroalimentación para hacer algunos ajustes más, ya que el movimiento y la energía deben marcarse inmediatamente para lograr estados cuánticos.
Así, la esfera, se hizo levitar en una trampa óptica, manteniéndola suspendida en el aire gracias a una trampa óptica que se ubicó en un recipiente al vacío y se enfrió a una temperatura de unos pocos grados por encima del cero absoluto como hemos visto.
Para ralentizar la esfera aún más, el equipo empleó otro láser y la luz reflejada por la esfera, lo que creó un patrón de interferencia que permitió ajustar el láser de tal manera que la luz que empujaba y tiraba de la esfera hiciera que disminuya su velocidad hasta su estado fundamental.
«Para ver claramente los efectos cuánticos, la nanoesfera debe ralentizarse hasta su estado fundamental de movimiento», aclara el ingeniero eléctrico Felix Tebbenjohanns, líder del estudio. «Esto significa que congelamos la energía de movimiento de la esfera a un mínimo cercano al movimiento del punto cero de la mecánica cuántica».
Aunque ya se habían logrado avances similares, aunque no iguales, en resonadores ópticos, este método permite el examen de la esfera en completo aislamiento una vez que se apaga el láser de interferencia, lo que permite que la onda cuántica de la esfera se expanda libremente.
Lo bueno de este enfoque es que protege mejor la nanoesfera contra las perturbaciones y significa que el objeto puede verse de forma aislada después de apagar el láser, aunque eso requerirá mucha más investigación, está claro.
Para empezar, lograr hacer levitar una esfera tan grande en un entorno criogénico representa un salto significativo hacia la escala macroscópica donde se puede estudiar la línea entre lo clásico y lo cuántico.
«Junto con el hecho de que el potencial de atrapamiento óptico es altamente controlable, nuestra plataforma experimental ofrece una ruta para investigar la mecánica cuántica a escalas macroscópicas», concluyen los expertos.
¿Aplicaciones?
Podrían revolucionar nuestro mundo. Contar con sensores cada vez mejores sería crucial para obtener mediciones ultraprecisas.
Referencia: Quantum control of a nanoparticle optically levitated in cryogenic free space. Felix Tebbenjohanns et al. Nature volume 595, pages378–382 (2021). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03617-w
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