Muy rara vez algo está completamente quieto. Toda la materia normal en el Universo está hecha de partículas zumbantes, ocupándose de sus propios asuntos y vibrando a sus propias frecuencias.
Si podemos hacer que disminuyan la velocidad tanto como sea posible, el material entra en lo que se conoce como el estado fundamental de movimiento. En este estado, los físicos pueden realizar pruebas de mecánica cuántica y gravedad cuántica, explorando el límite con la física clásica para buscar una forma de unificar los dos.
Anteriormente, esto se ha realizado en la nanoescala; pero ahora, por primera vez, se ha hecho en un ‘objeto’ masivo: los movimientos colectivos de los cuatro espejos del LIGO onda gravitacional interferómetro, conocido como oscilador optomecánico, con una masa efectiva de 10 kilogramos (22 libras).
El trabajo representa una nueva forma de sondear el reino cuántico.
“Nadie ha observado nunca cómo actúa la gravedad en estados cuánticos masivos”, dijo el ingeniero mecánico Vivishek Sudhir del MIT.
“Hemos demostrado cómo preparar objetos a escala de kilogramos en estados cuánticos. Esto finalmente abre la puerta a un estudio experimental de cómo la gravedad podría afectar a los grandes objetos cuánticos, algo con lo que hasta ahora sólo se había soñado”.
Lograr el estado fundamental cuántico de una nube de átomos no es fácil. Necesita enfriar el átomo aplicando la cantidad justa de fuerza para detener sus vibraciones. Si no lo enfría lo suficiente, simplemente se ralentiza; por lo que necesita saber el nivel de energía exacto y la dirección de las vibraciones del átomo para aplicar la fuerza adecuada para detenerlo.
Esto se llama “enfriamiento por retroalimentación”, y en la nanoescala es más simple de hacer, porque es más fácil aislar los grupos más pequeños de átomos y minimizar la interferencia. Sin embargo, cuanto más grande vayas, más difícil será manejar esa interferencia.
LIGO es uno de los instrumentos más precisos para medir movimientos finos. Está diseñado para detectar pequeñas ondas en el espacio-tiempo generadas por colisiones entre objetos masivos a miles de millones de años luz de distancia.
Consiste en una cámara de vacío en forma de L, con luces láser emitidas a lo largo de sus dos túneles de 40 kilómetros (25 millas) y enviadas a un divisor de haz a cuatro espejos, uno en cada extremo de cada túnel. Cuando el espacio-tiempo se ondula, los espejos distorsionan la luz, produciendo un patrón de interferencia que los científicos pueden decodificar para determinar la causa. Y es tan sensible que puede detectar un cambio solo una diezmilésima parte del ancho de un protón
Cada uno de los cuatro espejos de 40 kilogramos de LIGO está suspendido, y es su movimiento colectivo el que forma el oscilador. La equilibrio de los espejos reduce efectivamente 160 kilogramos de peso total a un solo objeto de solo 10 kilogramos.
“LIGO está diseñado para medir el movimiento conjunto de los cuatro espejos de 40 kilogramos”, Sudhir dijo. “Resulta que se puede mapear matemáticamente el movimiento conjunto de estas masas y pensar en ellas como el movimiento de un solo objeto de 10 kilogramos”.
Al medir con precisión el movimiento de este oscilador, el equipo esperaba calcular exactamente la tasa de enfriamiento de retroalimentación requerida para inducir el estado de base de movimiento … y luego, obviamente, aplicarlo.
Desafortunadamente, el mero hecho de medir arroja cierto grado de aleatoriedad en la ecuación, lo que dificulta predecir los tipos de empujones necesarios para extraer la energía de los átomos del espejo.
Para corregir esto, el equipo estudió inteligentemente cada fotón para estimar la actividad de colisiones anteriores, construyendo continuamente un mapa más preciso de cómo aplicar las fuerzas correctas y lograr el enfriamiento.
Luego, aplicaron la fuerza calculada utilizando electroimanes conectados a la parte posterior de los espejos.
Funcionó. El oscilador dejó de moverse, casi por completo. Su energía restante era equivalente a una temperatura de 77 nanokelvin (-273,15 grados Celsius o -459,67 grados Fahrenheit).
Su estado fundamental de movimiento, 10 nanokelvin, es extremadamente cercano, especialmente considerando el punto de partida a temperatura ambiente. Y 77 nanokelvin también está muy cerca de las temperaturas utilizadas en los estudios del estado fundamental del movimiento a nanoescala.
Además, abre la puerta a algunas posibilidades interesantes. Demostraciones y mediciones a macroescala de fenómenos cuánticos, y tal vez incluso aplicaciones para los mismos.
Pero la gravedad cuántica es la gran ventaja. Los objetos de kilogramo de masa son más susceptibles a la gravedad; El trabajo del equipo genera esperanzas de utilizar este régimen de masas para estudiar el reino cuántico.
“Preparar algo en el estado fundamental es a menudo el primer paso para ponerlo en estados cuánticos emocionantes o exóticos”. dijo el físico Chris Whittle del MIT y la colaboración de LIGO.
“Así que este trabajo es emocionante porque podría permitirnos estudiar algunos de estos otros estados, a una escala masiva que nunca antes se había hecho”.
La investigación ha sido publicada en Ciencias.
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