La mecánica cuántica dicta límites de sensibilidad en las medidas de desplazamiento, velocidad y aceleración. Un experimento reciente en el Instituto Niels Bohr investiga estos límites, analizar cómo las fluctuaciones cuánticas ponen en movimiento la membrana de un sensor en el proceso de una medición. La membrana es un modelo preciso para futuros sensores cuánticos ultraprecisos, cuya naturaleza compleja puede incluso tener la clave para superar los límites cuánticos fundamentales. Los resultados se publican en la prestigiosa revista científica, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Las cuerdas y membranas vibrantes son la base de muchos instrumentos musicales. Pulsar una cuerda la excita a vibraciones, a una frecuencia determinada por su longitud y tensión. Aparte de la frecuencia fundamental, correspondiente a la nota musical, la cuerda también vibra a frecuencias más altas. Estos matices influyen en cómo percibimos el 'sonido' del instrumento, y permítanos distinguir una guitarra de un violín. Similar, golpear un parche excita vibraciones en varias frecuencias simultáneamente.

Estos asuntos no son diferentes cuando se reduce, desde el bombo de medio metro de una orquesta clásica hasta la membrana de medio milímetro estudiada recientemente en el Instituto Niels Bohr. Y todavía, Algunas cosas no son iguales en absoluto:el uso de sofisticadas técnicas de medición óptica, un equipo dirigido por el profesor Albert Schliesser pudo demostrar que las vibraciones de la membrana, incluyendo todos sus matices, seguir las extrañas leyes de la mecánica cuántica. En su experimento, estas leyes cuánticas implican que el mero intento de medir con precisión las vibraciones de la membrana la pone en movimiento. ¡Como si mirar un tambor ya lo hiciera zumbar!

Un 'tambor' con muchos tonos

Aunque la membrana investigada por el equipo del Instituto Niels Bohr se puede ver a simple vista, los investigadores utilizaron un láser para seguir con precisión el movimiento de la membrana. Y esto de hecho revela una serie de resonancias vibratorias, todos los cuales se miden simultáneamente. Sus frecuencias están en el rango de Megahertz, unas mil veces más alto que las ondas sonoras que escuchamos, esencialmente porque la membrana es mucho más pequeña que un instrumento musical. Pero las analogías continúan:al igual que un violín suena diferente según el lugar donde se golpea la cuerda (sul tasto vs sul ponticello), los investigadores pudieron decir por el espectro de armónicos en qué lugar se excitó su membrana por el rayo láser.

Todavía, observando los sutiles efectos cuánticos en los que los investigadores estaban más interesados, requirió algunos trucos más. Albert Schliesser explica:"Por una vez, existe el problema de la pérdida de energía vibratoria, conduciendo a lo que llamamos decoherencia cuántica. Piénselo de esta manera:en un violín, proporcionas un cuerpo de resonancia, que recoge las vibraciones de las cuerdas y las transforma en ondas sonoras transportadas por el aire. Eso es lo que escuchas. Tuvimos que lograr exactamente lo contrario:confinar las vibraciones solo a la membrana, para que podamos seguir su movimiento cuántico sin perturbaciones durante el mayor tiempo posible. Para eso tuvimos que desarrollar un 'cuerpo' especial que no puede vibrar en las frecuencias de la membrana ".

Esto se logró mediante un llamado cristal fonónico, un patrón regular de agujeros que exhibe una banda prohibida fonónica, es decir, una banda de frecuencias en la que la estructura no puede vibrar. Yeghishe Tsaturyan, un estudiante de doctorado en el equipo, realizó una membrana con un cuerpo tan especial en las instalaciones de nanofabricación de Danchip en Lyngby.

Un segundo desafío consiste en realizar mediciones suficientemente precisas. Utilizando técnicas del campo de la Optomecánica, que es la experiencia de Schliesser, el equipo creó un experimento específico en el Instituto Niels Bohr, basado en un láser hecho a medida de sus necesidades, y un par de espejos altamente reflectantes entre los que se dispone la membrana. Esto les permitió resolver vibraciones con amplitudes mucho más pequeñas que el radio de un protón (1 femtómetro).

"Hacer mediciones tan sensibles no es fácil, en particular porque las bombas y otros equipos de laboratorio vibran con amplitudes mucho mayores. Por lo tanto, debemos asegurarnos de que esto no se muestre en nuestro registro de medición, "añade el estudiante de doctorado William Nielsen.

El vacío golpea el tambor

Sin embargo, es exactamente el rango de mediciones de ultra precisión donde se vuelve interesante. Luego, empieza a importar eso, según la mecánica cuántica, el proceso de medir el movimiento también influye en él. En el experimento, esta "retroacción de medición cuántica" es causada por las inevitables fluctuaciones cuánticas de la luz láser. En el marco de la óptica cuántica, estos son causados ​​por fluctuaciones cuánticas del campo electromagnético en el espacio vacío (vacío). Por extraño que parezca, este efecto dejó firmas claras en los datos de los experimentos del Instituto Niels Bohr, a saber, fuertes correlaciones entre las fluctuaciones cuánticas de la luz, y el movimiento mecánico medido por la luz.

"Observar y cuantificar estas fluctuaciones cuánticas es importante para comprender mejor cómo pueden afectar las mediciones mecánicas de ultraprecisión, es decir, medidas de desplazamiento, velocidad o aceleración. Y aquí, la naturaleza multimodo de la membrana entra en juego:no solo es una representación más precisa de los sensores del mundo real. También puede contener la clave para superar algunos de los límites cuánticos tradicionales para la precisión de la medición con esquemas más sofisticados, explotando correlaciones cuánticas ", Albert Schliesser dice y agrega:que a la larga, Los experimentos cuánticos con objetos mecánicos cada vez más complejos también pueden proporcionar una respuesta a la pregunta de por qué nunca observamos un bombo en una superposición cuántica (¿o lo haremos?).