Consiguen parar el tiempo con una esfera de 100 nanómetros

Cada vez estamos más cerca de observar mejor los procesos cuánticos a escala de los objetos macroscópicos, que se rigen por leyes físicas diferentes de las de las partículas elementales.

Los fenómenos cuánticos macroscópicos intrigan a los físicos desde que se conocen las propiedades de la naturaleza a escala de átomos y partículas subatómicas. Se sitúan entre los fenómenos más relevantes de la física.

Los efectos cuánticos prevalecen a escala atómica y de las partículas subatómicas: ponen de manifiesto que, a esos niveles de la realidad, materia y energía se confunden debido a la dualidad onda-partícula. Adoptan comportamientos extraños que escapan a la física clásica.

Esos efectos cuánticos solo se aprecian en los electrones y en otros componentes físicos más pequeños. Sin embargo, en un laboratorio se pueden crear condiciones para obtener efectos cuánticos en objetos macroscópicos: la mayoría de las veces, se ha logrado con nubes de millones de átomos.

Hasta ahora se ha conseguido apreciar fenómenos cuánticos macroscópicos en la superfluidez (descubierta en 1937) o en la superconductividad (descubierta en 1911), y también en los estados topológicos de la materia.

Nuevos hitos

Nuevos hitosEste año se ha logrado además el entrelazamiento cuántico, que permite a dos partículas elementales distantes entre sí compartir un estado cuántico común, en tambores vibratorios fabricados con dos membranas de aluminio de unos 10 micrómetros de longitud (un micrómetro equivale a una milésima parte de un milímetro).

Ahora, investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH Zurich) han conseguido otro hito en la carrera por conocer cómo se desenvuelven los procesos cuánticos a escala macroscópica: llevaron una esfera de vidrio hasta el límite cuántico y observaron los fenómenos cuánticos que se producían en su interior.

La esfera medía cien nanómetros, lo que significa que es mil veces más pequeña que el grosor de un cabello humano. Es pequeña para nuestra percepción, pero enorme para los niveles físicos elementales porque consta de 10 millones de átomos.

Trampa óptica

Trampa ópticaLa esfera se hizo levitar en una trampa óptica y un láser la mantuvo suspendida en el aire. La trampa óptica estaba en un recipiente al vacío y enfriado a 269°C bajo cero.

Para que alcanzara el estado cuántico, fue preciso reducir aún más su nivel de energía, lo que los investigadores consiguieron con un segundo láser que les permitió disminuir su velocidad de oscilación hasta su estado fundamental.

El resultado puede compararse con el balanceo de un columpio que logramos reducirlo a un estado de aparente quietud, como si paráramos el tiempo un instante, suficiente para observar los fenómenos cuánticos asociados al balanceo de un objeto macroscópico.

Las oscilaciones de la esfera, y por tanto su energía de movimiento, se redujeron hasta el límite cuántico: el punto en el que la relación de incertidumbre de la mecánica cuántica impide una reducción mayor, señalan los autores de esta investigación.

«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», explica el autor principal y profesor de fotónica, Lukas Novotny, en un comunicado.

Ventajas importantes

Ventajas importantesAunque se han obtenido resultados similares con esferas en resonadores ópticos, este enfoque tiene ventajas importantes: es menos susceptible a las perturbaciones y, al apagar la luz láser, se puede, si es necesario, examinar la esfera en completo aislamiento, destacan los investigadores.

El resultado obtenido ayudará a comprender mejor la mecánica cuántica, acercándola aún más al tamaño macroscópico y posibilitando así el desarrollo de nuevas tecnologías.

Los investigadores esperan que su trabajo pueda ser útil para estudiar mejor cómo la mecánica cuántica consigue que las partículas elementales se comporten como ondas.

También que posibilite el desarrollo de sensores de nueva generación más sofisticados que los actuales.

Referencia

ReferenciaQuantum 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

Imagen superior: Gerd Altmann en Pixabay.