Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han enfriado un objeto mecánico a una temperatura más baja de lo que se creía posible. por debajo del llamado "límite cuántico".

La nueva teoría y experimentos del NIST, descrito en el 12 de enero de 2017, cuestión de Naturaleza , mostró que un tambor mecánico microscópico, una membrana de aluminio vibrante, podía enfriarse a menos de una quinta parte de un cuanto único, o paquete de energía, menor de lo que normalmente predice la física cuántica. Teóricamente, la nueva técnica podría usarse para enfriar objetos hasta el cero absoluto, la temperatura a la que la materia está desprovista de casi toda energía y movimiento, Dijeron los científicos del NIST.

"Cuanto más frío puedas conseguir el tambor, mejor para cualquier aplicación, "dijo el físico del NIST John Teufel, quien dirigió el experimento. "Los sensores se volverían más sensibles. Puede almacenar información por más tiempo. Si la estuviera usando en una computadora cuántica, entonces calcularías sin distorsión, y obtendría la respuesta que desea ".

"Los resultados fueron una completa sorpresa para los expertos en la materia, El líder del grupo y coautor de Teufel, José Aumentado, dijo:"Es un experimento muy elegante que sin duda tendrá mucho impacto".

El tambor 20 micrómetros de diámetro y 100 nanómetros de espesor, está incrustado en un circuito superconductor diseñado para que el movimiento del tambor influya en las microondas que rebotan dentro de un recinto hueco conocido como cavidad electromagnética. Las microondas son una forma de radiación electromagnética, por lo que son, en efecto, una forma de luz invisible, con una longitud de onda más larga y una frecuencia más baja que la luz visible.

La luz de microondas dentro de la cavidad cambia su frecuencia según sea necesario para coincidir con la frecuencia a la que la cavidad resuena naturalmente, o vibra. Este es el tono natural de la cavidad, "Análogo al tono musical que un vaso lleno de agua sonará cuando se frota su borde con un dedo o se golpea su costado con una cuchara.

Los científicos del NIST enfriaron previamente el tambor cuántico a su estado fundamental de menor energía, "o un tercio de un cuanto. Utilizaron una técnica llamada enfriamiento de banda lateral, que implica aplicar un tono de microondas al circuito a una frecuencia por debajo de la resonancia de la cavidad. Este tono impulsa la carga eléctrica en el circuito para hacer que el tambor golpee. Los golpes de tambor generan partículas de luz, o fotones, que naturalmente coinciden con la frecuencia de resonancia más alta de la cavidad. Estos fotones se escapan de la cavidad a medida que se llena. Cada fotón que sale se lleva consigo una unidad mecánica de energía, un fonón, del movimiento del tambor. Esta es la misma idea que el enfriamiento por láser de átomos individuales, demostrado por primera vez en NIST en 1978 y ahora se utiliza ampliamente en aplicaciones tales como relojes atómicos.

El último experimento de NIST agrega un giro novedoso:el uso de "luz comprimida" para impulsar el circuito de la batería. La compresión es un concepto de mecánica cuántica en el que el ruido, o fluctuaciones no deseadas, se traslada de una propiedad útil de la luz a otro aspecto que no afecta al experimento. Estas fluctuaciones cuánticas limitan las temperaturas más bajas que se pueden alcanzar con las técnicas de enfriamiento convencionales. El equipo del NIST utilizó un circuito especial para generar fotones de microondas que fueron purificados o despojados de las fluctuaciones de intensidad. lo que redujo el calentamiento involuntario del tambor.

"El ruido le da patadas o calor al azar a lo que intentas enfriar, ", Dijo Teufel." Estamos exprimiendo la luz a un nivel 'mágico', en una dirección y cantidad muy específicas, para hacer fotones perfectamente correlacionados con una intensidad más estable. Estos fotones son frágiles y poderosos ".

La teoría y los experimentos del NIST indican que la luz exprimida elimina el límite de enfriamiento generalmente aceptado, Dijo Teufel. Esto incluye objetos que son grandes u operan a bajas frecuencias, que son los más difíciles de enfriar.

El tambor podría usarse en aplicaciones como computadoras cuánticas híbridas que combinan elementos cuánticos y mecánicos, Dijo Teufel. Un tema candente en la investigación de la física en todo el mundo, Las computadoras cuánticas podrían, teóricamente, resolver ciertos problemas que hoy se consideran intratables.