Investigadores de Suiza, Austria y Abu Dabi han recreado en laboratorio el momento en el que la física ordinaria comienza a comportarse con principios cuánticos. Esto representa un paso crucial para la investigación de una nueva física cuántica y para la construcción de sensores altamente sensibles.
Desde la formulación de la teoría cuántica hace más de 100 años, la pregunta sobre qué tamaño de un objeto comienza a ser descrito por las leyes de la física cuántica, en lugar de por las reglas de la física clásica, ha permanecido sin respuesta.
Un equipo de científicos formado por Lukas Novotny (Zurich), Markus Aspelmeyer (Viena), Carlos González-Ballestero y Oriol Romero-Isart(Innsbruck) y Romain Quidant (Zurich), están intentado desde hace más de un año responder a esta pregunta dentro del proyecto europeo ERC-Synergy Q-Xtreme (2021-2027): ¿en qué momento las leyes de la física cuántica comienzan a operar en objetos masivos de tamaño arbitrario?
Las nanopartículas de vidrio atrapadas por láseres en el vacío extremo se consideran una plataforma prometedora para explorar el momento en el que mundo cuántico se manifiesta en el reino de la física atómica.
No es solo una teoría: estos científicos ya han podido mantener perlas de vidrio, que son unas mil veces más pequeñas que un grano de arena, suspendidas en forma ultra enfriada y en ultra-alto vacío, para estudiar los efectos cuánticos en objetos macroscópicos y construir sensores extremadamente sensibles, tal como explican en un artículo publicado en la revista "Nature Physics".
Frontera cuántica
Recrear esa frontera en laboratorio con nanopartículas de vidrio ha representado un desafío técnico mayúsculo, pero también una necesidad para que las moléculas del gas no destruyan las propiedades cuánticas de un estado cuando se produce esa “mutación” de la física atómica en física cuántica.
Aunque son nanopartículas, las esferas de vidrio empleadas en estos experimentos siguen siendo enormes, en comparación con las minúsculas escalas en las que se desarrolla el mundo cuántico: consisten en varios cientos de millones de átomos, que supuestamente pueden describirse solo con las leyes físicas ordinarias.
El proyecto "Q-Xtreme" es el que está trabajando para recrear en laboratorio las condiciones en las que las leyes de la física cuántica dominan y desplazan a un segundo plano las leyes de la física clásica.
El equipo del proyecto Q-Xtreme protagonista de esta investigación puntera: de izquierda a derecha: Lukas Novotny, Markus Aspelmeyer, Carlos Gonzalez Ballestero, Romain Quidant y Oriol Romero Isart. Q-Xtreme.
¿Cuáles son esas condiciones extremas?
Esas condiciones extremas se basan en algo muy simple: en el mundo físico ordinario, los objetos que flotan en el aire (como un balón de fútbol o una nanoesfera de vidrio de millones de átomos) pueden moverse en tres direcciones: hacia arriba y hacia abajo; hacia la derecha y hacia la izquierda; o en línea recta, hacia adelante y hacia atrás.
Lo que estos científicos han podido determinar es que en ese bamboleo es cuando ocurre lo extraordinario: en algún momento de esa dinámica espacial, el movimiento de los objetos puede dejar de comportarse según las leyes físicas ordinarias y adoptar un comportamiento cuántico.
Ese salto se puede conseguir en laboratorio si una nanopartícula flotante es privada de su energía cinética lo más completamente posible.
Esas condiciones extremas se basan en algo muy simple: en el mundo físico ordinario, los objetos que flotan en el aire (como un balón de fútbol o una nanoesfera de vidrio de millones de átomos) pueden moverse en tres direcciones: hacia arriba y hacia abajo; hacia la derecha y hacia la izquierda; o en línea recta, hacia adelante y hacia atrás.
Lo que estos científicos han podido determinar es que en ese bamboleo es cuando ocurre lo extraordinario: en algún momento de esa dinámica espacial, el movimiento de los objetos puede dejar de comportarse según las leyes físicas ordinarias y adoptar un comportamiento cuántico.
Ese salto se puede conseguir en laboratorio si una nanopartícula flotante es privada de su energía cinética lo más completamente posible.
Estado fundamental cuántico
Para conseguirlo, la nanoesfera se enfría en un ultra-vacío (que se caracteriza cuando alcanza una presión muy baja) hasta casi el cero absoluto (menos 273 grados Celsius). Estos sistemas se controlan y enfrían utilizando luz láser altamente enfocada.
De esta forma se congela la energía almacenada en el movimiento de la nanopartícula tanto como sea posible, es decir, se enfría la partícula hasta el llamado estado fundamental cuántico, que es cuando alcanza el nivel más bajo de energía. En ese estado, la dinámica cuántica toma el relevo de la física ordinaria.
El físico teórico español Carlos González-Ballestero, del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Innsbruck, y uno de los autores de esta investigación, explica a T21/Prensa Ibérica que durante los experimentos que han realizado en esas condiciones extremas, la esfera siempre se mueve en las tres dimensiones.
Para conseguirlo, la nanoesfera se enfría en un ultra-vacío (que se caracteriza cuando alcanza una presión muy baja) hasta casi el cero absoluto (menos 273 grados Celsius). Estos sistemas se controlan y enfrían utilizando luz láser altamente enfocada.
De esta forma se congela la energía almacenada en el movimiento de la nanopartícula tanto como sea posible, es decir, se enfría la partícula hasta el llamado estado fundamental cuántico, que es cuando alcanza el nivel más bajo de energía. En ese estado, la dinámica cuántica toma el relevo de la física ordinaria.
El físico teórico español Carlos González-Ballestero, del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Innsbruck, y uno de los autores de esta investigación, explica a T21/Prensa Ibérica que durante los experimentos que han realizado en esas condiciones extremas, la esfera siempre se mueve en las tres dimensiones.
Bifurcación cuántica
Y añade: “lo que hemos conseguido con esta investigación es que el movimiento a lo largo de dos de esas direcciones se congele hasta el estado cuántico fundamental. Con anterioridad, solo se había conseguido enfriar el movimiento a lo largo de una sola dirección.”
González-Ballesteros aclara también que, en esas condiciones extremas creadas en laboratorio, es cuando la frontera física se bifurca: “la partícula está oscilando como si fuese un muelle, a lo largo de X, de Y, y de Z simultáneamente. Enfriar esa oscilación a lo largo de 1 o de 2 direcciones quiere decir que las oscilaciones a lo largo de X, o a lo largo de X e Y simultáneamente, se reducen hasta el estado cuántico fundamental. El movimiento en la dirección Z sigue ahí, pero no está en el régimen cuántico”, aclara.
Eso significa que en laboratorio se ha conseguido que una esfera de vidrio levitando en condiciones extremas reduzca al estado cuántico fundamental dos de los movimientos de sus oscilaciones, que en ese estado de congelación adoptan comportamientos propios del mundo subatómico, en vez del movimiento propio de la dinámica atómica.
Vista lateral de la configuración experimental con lentes y espejos entre los que se coloca la nanopartícula. Universidad de Innsbruck.
Y añade: “lo que hemos conseguido con esta investigación es que el movimiento a lo largo de dos de esas direcciones se congele hasta el estado cuántico fundamental. Con anterioridad, solo se había conseguido enfriar el movimiento a lo largo de una sola dirección.”
González-Ballesteros aclara también que, en esas condiciones extremas creadas en laboratorio, es cuando la frontera física se bifurca: “la partícula está oscilando como si fuese un muelle, a lo largo de X, de Y, y de Z simultáneamente. Enfriar esa oscilación a lo largo de 1 o de 2 direcciones quiere decir que las oscilaciones a lo largo de X, o a lo largo de X e Y simultáneamente, se reducen hasta el estado cuántico fundamental. El movimiento en la dirección Z sigue ahí, pero no está en el régimen cuántico”, aclara.
Eso significa que en laboratorio se ha conseguido que una esfera de vidrio levitando en condiciones extremas reduzca al estado cuántico fundamental dos de los movimientos de sus oscilaciones, que en ese estado de congelación adoptan comportamientos propios del mundo subatómico, en vez del movimiento propio de la dinámica atómica.
Vista lateral de la configuración experimental con lentes y espejos entre los que se coloca la nanopartícula. Universidad de Innsbruck.
Levitodinámica
El enfoque subyacente en este trabajo se llama "levitodinámica": mediante esta disciplina científica (como la electrodinámica o la teoría cuántica, explica González-Ballestero), los nano-objetos se hacen levitar en el vacío con la ayuda de un rayo láser para observar en qué momento adoptan propiedades cuánticas fundamentales.
Esto solo se consigue si la luz láser se ajusta con precisión para que la esfera se mantenga en suspensión entre espejos en la cámara de alto vacío donde se desarrolla el experimento.
González-Ballestero explica al respecto que esos espejos actúan como “refrigeradores”, aunque sólo pueden enfriar dos direcciones de movimiento de la partícula. Para que eso ocurra, las frecuencias a las que la partícula oscila en ambas direcciones deben ser suficientemente diferentes. Al mismo tiempo tienen que ser suficientemente cercanas para interaccionar de forma efectiva con los espejos “refrigeradores”.
Los investigadores consideran que este enfoque original demuestra que es posible incluso llegar a restringir al estado cuántico fundamental las tres direcciones de movimiento de la nanopartícula.
“Una consecuencia muy importante de nuestro trabajo es que demuestra que el enfriamiento 3D es posible: con espejos se sabía enfriar una dirección, y con otros métodos (feedback) se consiguió enfriar la dirección en la que se propaga el láser, pero faltaba una. Nuestro experimento lo ha conseguido”, destaca González-Ballestero.
El enfoque subyacente en este trabajo se llama "levitodinámica": mediante esta disciplina científica (como la electrodinámica o la teoría cuántica, explica González-Ballestero), los nano-objetos se hacen levitar en el vacío con la ayuda de un rayo láser para observar en qué momento adoptan propiedades cuánticas fundamentales.
Esto solo se consigue si la luz láser se ajusta con precisión para que la esfera se mantenga en suspensión entre espejos en la cámara de alto vacío donde se desarrolla el experimento.
González-Ballestero explica al respecto que esos espejos actúan como “refrigeradores”, aunque sólo pueden enfriar dos direcciones de movimiento de la partícula. Para que eso ocurra, las frecuencias a las que la partícula oscila en ambas direcciones deben ser suficientemente diferentes. Al mismo tiempo tienen que ser suficientemente cercanas para interaccionar de forma efectiva con los espejos “refrigeradores”.
Los investigadores consideran que este enfoque original demuestra que es posible incluso llegar a restringir al estado cuántico fundamental las tres direcciones de movimiento de la nanopartícula.
“Una consecuencia muy importante de nuestro trabajo es que demuestra que el enfriamiento 3D es posible: con espejos se sabía enfriar una dirección, y con otros métodos (feedback) se consiguió enfriar la dirección en la que se propaga el láser, pero faltaba una. Nuestro experimento lo ha conseguido”, destaca González-Ballestero.
Nueva física cuántica
Eso abre nuevas perspectivas: "enfriar hasta el estado fundamental en más de una dirección de movimiento es la clave para investigar nueva física cuántica", concluye el científico español.
Desde un punto de vista técnico, esta investigación impulsa el desarrollo de dispositivos extremadamente sensibles con sensores novedosos para medir simultáneamente movimientos, posición en el espacio, la gravedad, la presión, las fuerzas de inercia o los campos eléctricos o magnéticos.
Si la partícula se puede llevar con tanta precisión al estado fijo multidimensional, es "extremadamente sensible a los cambios más pequeños de posición", concluye González-Ballestero.
Fuente LEVANTE