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La levitación tanto de objetos grandes como de átomos individuales se ha convertido en una técnica muy utilizada en ciencia e ingeniería. En los últimos años, muchos investigadores han empezado a explorar un nuevo horizonte: la levitación de nanopartículas y micropartículas -todavía más pequeñas que el diámetro de un cabello, pero compuestas por miles de millones de átomos- en el vacío.
La capacidad de manipular y medir la traslación y la rotación de estos objetos con gran precisión ha generado una nueva plataforma experimental con oportunidades únicas para la investigación fundamental y aplicada.
"Por citar solo algunos ejemplos: la alta sensibilidad de los objetos levitados a las fuerzas y aceleraciones externas está impulsando tanto el desarrollo de sensores como la búsqueda de nueva física, y el control total de la fricción y las fuerzas que afectan al movimiento de estas partículas la comprobación de hipótesis termodinámicas estocásticas. Además, la fricción y el ruido pueden reducirse a un mínimo fundamental mediante la creación de un vacío ultraelevado, lo que allana el camino no solo para la detección y los sensores cuánticos, sino también para explorar superposiciones cuánticas macroscópicas en un régimen de grandes masas hasta ahora inexplorado", afirma Oriol Romero-Isart, del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia Austriaca de Ciencias y del Departamento de Física Teórica de la Universidad de Innsbruck.
Enfriamiento hacia el estado básico cuántico
En 2010 se propusieron por primera vez técnicas de óptica cuántica para enfriar el movimiento de una nanopartícula levitada hasta el régimen cuántico utilizando una cavidad óptica. Desde entonces, estas propuestas se han desarrollado experimentalmente y se han complementado con la realización de mecanismos de control basados en fuerzas ópticas, eléctricas y magnéticas. En la actualidad, tanto los esquemas de enfriamiento basados en la cavidad óptica como los basados en la retroalimentación activa han logrado enfriar el movimiento de una nanopartícula levitante dieléctrica hasta el estado cuántico básico, abriendo el camino hacia una física cuántica inexplorada.
Física, ciencia de los materiales y sensores
La levitación de nanoobjetos en alto vacío ofrece nuevas oportunidades para la investigación y las aplicaciones al proporcionar un aislamiento del entorno antes inalcanzable. "La caja de herramientas actual permite levitar y controlar cualquier tipo de nanoobjeto, incluyendo imanes, metales, diamantes con centros de color, grafeno, gotas de líquido e incluso helio superfluido, mediante interacciones ópticas, eléctricas y magnéticas", explica Carlos González-Ballestero, investigador postdoctoral del Departamento de Física Teórica de la Universidad de Innsbruck. "Estas interacciones también proporcionan un medio para acoplar los grados de libertad internos (por ejemplo, fonones, magnones, excitones) a los grados de libertad externos bien controlados (traslación, rotación)".
Los sistemas levitados son bancos de pruebas limpios para la ciencia de los materiales, donde la materia en condiciones extremas puede ser sondeada e incluso diseñada. Además, los sistemas levitados son una plataforma ideal para estudiar la física del no-equilibrio. Extender el control a todos los grados de libertad de una partícula levitada permite reducir las fuentes de ruido y decoherencia. Abrirá la puerta a un nuevo régimen de la física cuántica macroscópica (por ejemplo, la preparación de superposiciones cuánticas macroscópicas de objetos compuestos por miles de millones de átomos) y el sondeo de las fuerzas débiles (por ejemplo, las predichas por los modelos de materia oscura) en regímenes aún inexplorados. Por último, el uso de sistemas de levitación para la detección ultrasensible de fuerzas ofrece también oportunidades para aplicaciones comerciales de detección, como gravímetros, sensores de presión, sensores de fuerza inercial y sensores de campo eléctrico/magnético.
Fuentes, créditos y referencias:
Carlos Gonzalez-Ballestero et al, Levitodynamics: levitation and control of microscopic objects in vacuum, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abg3027. www.science.org/doi/10.1126/science.abg3027