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(ETH Zurich) |
La mecánica cuántica se ocupa del comportamiento del Universo a escala superpequeña: átomos y partículas subatómicas que operan de formas que la física clásica no puede explicar. Para explorar esta tensión entre lo cuántico y lo clásico, los científicos intentan conseguir que objetos cada vez más grandes se comporten de forma similar a la cuántica.
En el caso de este estudio concreto, el objeto en cuestión es una minúscula nanoesfera de vidrio de 100 nanómetros de diámetro, unas mil veces menor que el grosor de un cabello humano. Para nosotros, eso es muy, muy pequeño, pero en términos de física cuántica, en realidad es bastante enorme, compuesta por 10 millones de átomos.
Introducir una nanoesfera de este tipo en el ámbito de la mecánica cuántica es realmente un gran logro, y sin embargo eso es exactamente lo que los físicos han conseguido ahora.
Utilizando luces láser cuidadosamente calibradas, la nanoesfera fue suspendida en su estado mecánico cuántico más bajo, uno de movimiento extremadamente limitado en el que el comportamiento cuántico puede empezar a producirse.
"Es la primera vez que se utiliza un método de este tipo para controlar el estado cuántico de un objeto macroscópico en el espacio libre", afirma Lukas Novotny, profesor de fotónica de la ETH de Zúrich (Suiza).
Para conseguir estados cuánticos, hay que reducir el movimiento y la energía. Novotny y sus colegas utilizaron un contenedor de vacío enfriado a -269 grados Celsius (-452 grados Fahrenheit) antes de utilizar un sistema de retroalimentación para realizar más ajustes.
A partir de los patrones de interferencia generados por dos rayos láser, los investigadores calcularon la posición exacta de la nanoesfera dentro de su cámara y, a partir de ahí, los ajustes precisos necesarios para acercar el movimiento del objeto a cero, utilizando el campo eléctrico creado por dos electrodos.
No es tan diferente de ralentizar un columpio de parque infantil empujándolo y tirando de él hasta que llega a un punto de reposo. Una vez que se ha alcanzado ese estado mecánico cuántico mínimo, se pueden iniciar otros experimentos.
"Para ver con claridad los efectos cuánticos, es necesario ralentizar la nanoesfera... hasta llegar a su estado básico de movimiento", explica el ingeniero eléctrico Felix Tebbenjohanns, de la ETH de Zúrich.
"Esto significa que congelamos la energía de movimiento de la esfera hasta un mínimo cercano al movimiento mecánico cuántico de punto cero".
Aunque ya se habían conseguido resultados similares, utilizaron lo que se conoce como un resonador óptico para equilibrar los objetos mediante la luz.
El método utilizado aquí protege mejor la nanoesfera contra las perturbaciones y permite ver el objeto de forma aislada después de apagar el láser, aunque para ello habrá que seguir investigando.
Una de las formas en que los investigadores esperan que sus hallazgos puedan ser útiles es en el estudio de cómo la mecánica cuántica hace que las partículas elementales se comporten como ondas. Es posible que los sistemas supersensibles como el de la nanoesfera ayuden a desarrollar sensores de nueva generación que superen a los actuales.
Conseguir hacer levitar una esfera tan grande en un entorno criogénico representa un salto importante 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 vía para investigar la mecánica cuántica a escalas macroscópicas", concluyen los investigadores en su artículo publicado.
Fuentes, créditos y referencias:
Tebbenjohanns, F., Mattana, M.L., Rossi, M. et al. Quantum control of a nanoparticle optically levitated in cryogenic free space. Nature 595, 378–382 (2021). doi.org/10.1038/s41586-021-03617-w
Traído gracias a ScienceAlert