La levitación tanto de objetos grandes como de átomos individuales se ha convertido en una técnica ampliamente utilizada en ciencia e ingeniería. En los últimos años, muchos investigadores han comenzado a explorar un nuevo horizonte:la levitación de nanopartículas y micropartículas, aún más pequeñas que el diámetro de un solo cabello, pero compuesto por miles de millones de átomos, en el vacío.

La capacidad de manipular y medir la traslación y la rotación de estos objetos con alta precisión ha generado una nueva plataforma experimental con oportunidades únicas para la investigación fundamental y aplicada.

"Por nombrar solo algunos ejemplos:la alta sensibilidad de los objetos levitados a las fuerzas externas y las aceleraciones están impulsando tanto el desarrollo de sensores como la búsqueda de nueva física, y el control total de la fricción y las fuerzas que afectan el movimiento de estas partículas, la prueba de hipótesis termodinámicas estocásticas. Es más, la fricción y el ruido se pueden reducir a un mínimo fundamental creando un vacío ultra alto, allanando el camino no solo para la detección y detección cuántica, sino también para explorar superposiciones cuánticas macroscópicas en un régimen hasta ahora inexplorado de grandes masas ", dice Oriol Romero-Isart del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de Ciencias de Austria y del Departamento de Física Teórica de la Universidad de Innsbruck.

Enfriado al estado fundamental cuántico

En 2010, Las técnicas de óptica cuántica se propusieron por primera vez como una forma de enfriar el movimiento de una nanopartícula levitada al régimen cuántico utilizando una cavidad óptica. Desde entonces, estas propuestas han sido desarrolladas experimentalmente y complementadas con la realización de mecanismos de control basados ​​en ópticas, eléctrico, y fuerzas magnéticas. Por ahora, Tanto los esquemas de enfriamiento de retroalimentación activa como los basados ​​en cavidades ópticas han logrado enfriar el movimiento de una nanopartícula dieléctrica levitada en el estado fundamental cuántico, abriendo el camino hacia la física cuántica inexplorada.

Física, ciencia de materiales y sensores

La levitación de nanoobjetos en alto vacío ofrece nuevas oportunidades para la investigación y las aplicaciones al proporcionar un aislamiento del medio ambiente que antes era inalcanzable. "La caja de herramientas actual permite levitar y controlar cualquier tipo de nanoobjeto, incluidos los imanes, rieles, diamantes que contienen centros de color, grafeno gotitas de liquido, e incluso helio superfluido, por medio de ópticas, eléctrico, e interacciones magnéticas ", explica Carlos González-Ballestero, Investigador postdoctoral en el Departamento de Física Teórica de la Universidad de Innsbruck. "Estas interacciones también proporcionan un medio para acoplar los grados internos de libertad (por ejemplo, fonones, magnones, excitones) a los grados de libertad externos bien controlados (traducción, rotación)."

Los sistemas levitados son bancos de pruebas limpios para la ciencia de los materiales, donde la materia en condiciones extremas puede ser probada e incluso diseñada. Es más, Los sistemas levitados son una plataforma ideal para estudiar la física del desequilibrio. 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 física cuántica macroscópica (por ejemplo, la preparación de superposiciones cuánticas macroscópicas de objetos compuestos por miles de millones de átomos) y el sondeo de fuerzas débiles (por ejemplo, las predichas por modelos de materia oscura) en regímenes aún inexplorados. Finalmente, el uso de sistemas levitados para la detección ultrasensible de fuerzas brinda oportunidades también para aplicaciones comerciales de detección, incluyendo gravímetros, sensores de presión, sensores de fuerza inercial, y sensores de campo eléctrico / magnético.