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| El movimiento cuántico de una nanopartícula puede extenderse más allá del tamaño de la misma gracias a la nueva técnica desarrollada por. Físicos en Austria. Crédito: Marc Montagut |
Gran deslocalización cuántica de una nanopartícula levitada mediante control óptimo: Aplicaciones para la detección de fuerzas y el entrelazamiento mediante fuerzas débiles
Recientemente, investigadores dirigidos por Markus Aspelmeyer, de la Universidad de Viena, y Lukas Novotny, de la ETH de Zúrich, han enfriado por primera vez una nanopartícula de vidrio hasta el régimen cuántico. Para ello, se priva a la partícula de su energía cinética con la ayuda de láseres. Lo que queda son movimientos, las llamadas fluctuaciones cuánticas, que ya no siguen las leyes de la física clásica sino las de la física cuántica. La esfera de cristal con la que se ha conseguido esto es bastante más pequeña que un grano de arena, pero sigue estando formada por varios cientos de millones de átomos. En contraste con el mundo microscópico de los fotones y los átomos, las nanopartículas permiten conocer la naturaleza cuántica de los objetos macroscópicos. En colaboración con el físico experimental Markus Aspelmeyer, un equipo de físicos teóricos dirigido por Oriol Romero-Isart, de la Universidad de Innsbruck, y el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia Austriaca de Ciencias, propone ahora una forma de aprovechar las propiedades cuánticas de las nanopartículas para diversas aplicaciones.
Breve deslocalización
"Mientras que los átomos en el estado básico móvil rebotan a lo largo de distancias mayores que el tamaño del átomo, el movimiento de los objetos macroscópicos en el estado básico es muy, muy pequeño", explican Talitha Weiss y Marc Roda-Llordes, del equipo de Innsbruck. "Las fluctuaciones cuánticas de las nanopartículas son más pequeñas que el diámetro de un átomo". Para aprovechar la naturaleza cuántica de las nanopartículas, la función de onda de las partículas debe ampliarse mucho. En el esquema de los físicos cuánticos de Innsbruck, las nanopartículas se atrapan en campos ópticos y se enfrían hasta el estado básico. Cambiando rítmicamente estos campos, las partículas consiguen ahora deslocalizarse brevemente a distancias exponencialmente mayores. "Incluso las perturbaciones más pequeñas pueden destruir la coherencia de las partículas, por lo que al cambiar los potenciales ópticos, solo separamos brevemente la función de onda de las partículas y la comprimimos de nuevo inmediatamente", explica Oriol Romero-Isart. Al cambiar repetidamente el potencial, se pueden aprovechar las propiedades cuánticas de la nanopartícula.
Muchas aplicaciones
Con la nueva técnica se pueden estudiar con más detalle las propiedades cuánticas macroscópicas. También resulta que este estado es muy sensible a las fuerzas estáticas. Así, el método podría permitir la creación de instrumentos altamente sensibles que puedan utilizarse para determinar fuerzas como la gravedad de forma muy precisa. Utilizando dos partículas expandidas y comprimidas simultáneamente por este método, también sería posible entrelazarlas mediante una interacción débil y explorar áreas totalmente nuevas del mundo cuántico macroscópico.
Junto con otras propuestas, el nuevo concepto constituye la base del proyecto Q-Xtreme de la ERC Synergy Grant, que se concedió el año pasado. En este proyecto, los grupos de investigación de Markus Aspelmeyer y Oriol Romero-Isart, junto con Lukas Novotny y Romain Quidant, de la ETH de Zúrich, están llevando al límite extremo uno de los principios más fundamentales de la física cuántica al colocar un cuerpo sólido de miles de millones de átomos en dos lugares al mismo tiempo.
Fuentes, creditos y referencias:
T. Weiss et al, Large Quantum Delocalization of a Levitated Nanoparticle Using Optimal Control: Applications for Force Sensing and Entangling via Weak Forces, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.023601