Mecánica cuántica se ocupa del comportamiento del Universo a una escala súper pequeña: 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 están intentando conseguir que los objetos cada vez más grandes se comporten de forma cuántica.
En el caso de este estudio en particular, el objeto en cuestión es una diminuta nanoesfera de vidrio, de 100 nanómetros de diámetro, unas mil veces más pequeña que el grosor de un cabello humano. Para nuestras mentes, eso es muy, muy pequeño, pero en términos de física cuántica, en realidad es bastante grande, compuesto de hasta 10 millones de átomos.
Empujar una nanoesfera de este tipo en el ámbito de la mecánica cuántica es en realidad un gran logro y, sin embargo, eso es exactamente lo que los físicos han logrado ahora.
Usando luces láser cuidadosamente calibradas, la nanoesfera se suspendió en su estado mecánico cuántico más bajo, uno de movimiento extremadamente limitado donde el comportamiento cuántico puede comenzar a ocurrir.
“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”, dice Lukas Novotny
Para lograr estados cuánticos, el movimiento y la energía deben marcarse de inmediato. Novotny y sus colegas usaron un recipiente al vacío enfriado a -269 grados Celsius (-452 grados Fahrenheit) antes de usar un sistema de retroalimentación para hacer más ajustes.
Utilizando los patrones de interferencia generados por dos rayos láser, los investigadores calcularon la posición exacta de la nanoesfera dentro de su cámara, y desde allí 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 en el patio de recreo empujándolo y tirando de él hasta que llegue a un punto de descanso. Una vez que se ha alcanzado el estado mecánico cuántico más bajo, pueden comenzar más experimentos.
“Para ver claramente los efectos cuánticos, la nanoesfera debe ralentizarse … hasta su estado fundamental de movimiento”. dice el ingeniero eléctrico Felix Tebbenjohanns, de ETH Zurich.
“Esto significa que congelamos la energía de movimiento de la esfera a un mínimo cercano al movimiento del punto cero de la mecánica cuántica”.
Si bien se han logrado resultados similares antes, utilizaron lo que se conoce como resonador óptico equilibrar objetos con luz.
El enfoque utilizado aquí protege mejor la nanoesfera contra perturbaciones, y significa que el objeto puede verse de forma aislada después de que se apaga el láser, aunque eso requerirá mucha más investigación para darse cuenta.
Una de las formas en que los investigadores esperan que sus hallazgos puedan ser útiles es estudiar cómo la mecánica cuántica hace que las partículas elementales se comporten como ondas. Es posible que configuraciones súper sensibles como esta nanoesfera también puedan ayudar en el desarrollo de sensores de próxima generación más allá de lo que tenemos hoy.
Conseguir levitar una esfera tan grande en un entorno criogénico representa un salto significativo 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 ruta para investigar la mecánica cuántica a escalas macroscópicas”, concluyen los investigadores en su artículo publicado.
La investigación ha sido publicada en Naturaleza.
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