Uno podría pensar que las pinzas ópticas, un rayo láser enfocado que puede atrapar partículas pequeñas, ya son obsoletas. Después de todo, la pinza fue inventada por Arthur Ashkin en 1970. Y recibió el Premio Nobel por ella este año, presumiblemente después de que se comprendieran sus principales implicaciones durante el último medio siglo.

Asombrosamente, Está léjos de la verdad. La pinza óptica está revelando nuevas capacidades al tiempo que ayuda a los científicos a comprender la mecánica cuántica, la teoría que explica la naturaleza en términos de partículas subatómicas.

Esta teoría ha llevado a algunas conclusiones extrañas y contradictorias. Uno de ellos es que la mecánica cuántica permite que un solo objeto exista en dos estados diferentes de realidad al mismo tiempo. Por ejemplo, La física cuántica permite que un cuerpo esté en dos ubicaciones diferentes en el espacio simultáneamente, o tanto muerto como vivo, como en el famoso experimento mental del gato de Schrödinger.

El nombre técnico de este fenómeno es superposición. Se han observado superposiciones para objetos diminutos como átomos individuales. Pero claramente nunca vemos una superposición en nuestra vida cotidiana. Por ejemplo, no vemos una taza de café en dos lugares al mismo tiempo.

Para explicar esta observación, Los físicos teóricos han sugerido que para objetos grandes, incluso para nanopartículas que contienen alrededor de mil millones de átomos, las superposiciones colapsan rápidamente a una u otra de las dos posibilidades, debido a un colapso de la mecánica cuántica estándar. Para objetos más grandes, la tasa de colapso es más rápida. Para el gato de Schrodinger, este colapso - a "vivo" o "muerto" - sería prácticamente instantáneo, explicando por qué nunca vemos la superposición de un gato en dos estados a la vez.

Hasta hace poco, estas "teorías del colapso, "lo que requeriría modificaciones de la mecánica cuántica de los libros de texto, no se pudo probar, ya que es difícil preparar un objeto grande en superposición. Esto se debe a que los objetos más grandes interactúan más con su entorno que los átomos o las partículas subatómicas, lo que conduce a fugas de calor que destruyen los estados cuánticos.

Como físicos, estamos interesados ​​en las teorías del colapso porque nos gustaría comprender mejor la física cuántica, y específicamente porque hay indicios teóricos de que el colapso podría deberse a efectos gravitacionales. Sería emocionante encontrar una conexión entre la física cuántica y la gravedad, dado que toda la física se basa en estas dos teorías, y su descripción unificada, la llamada Teoría del Todo, es uno de los grandes objetivos de la ciencia moderna.

Introduzca la pinza óptica

Las pinzas ópticas aprovechan el hecho de que la luz puede ejercer presión sobre la materia. Aunque la presión de radiación incluso de un rayo láser intenso es bastante pequeña, Ashkin fue la primera persona en demostrar que era lo suficientemente grande para soportar una nanopartícula, contrarrestar la gravedad, levitando efectivamente.

En 2010, un grupo de investigadores se dio cuenta de que una nanopartícula sostenida por una pinza óptica estaba bien aislada de su entorno. ya que no estuvo en contacto con ningún soporte material. Siguiendo estas ideas, varios grupos sugirieron formas de crear y observar superposiciones de una nanopartícula en dos ubicaciones espaciales distintas.

Un intrigante esquema propuesto por los grupos de Tongcang Li y Lu Ming Duan en 2013 involucró un cristal de nanodiamantes en una pinza. La nanopartícula no se queda quieta dentro de la pinza. Bastante, oscila como un péndulo entre dos lugares, con la fuerza restauradora proveniente de la presión de radiación debida al láser. Más lejos, este nanocristal de diamante contiene un átomo de nitrógeno contaminante, que se puede considerar como un pequeño imán, con un polo norte (N) y un polo sur (S).

La estrategia Li-Duan constaba de tres pasos. Primero, propusieron enfriar el movimiento de la nanopartícula a su estado fundamental cuántico. Este es el estado de energía más bajo que puede tener este tipo de partícula. Podríamos esperar que en este estado la partícula deje de moverse y no oscile en absoluto. Sin embargo, si eso sucediera, sabríamos dónde estaba la partícula (en el centro de la pinza), también lo rápido que se movía (para nada). Pero el famoso principio de incertidumbre de Heisenberg de la física cuántica no permite el conocimiento perfecto simultáneo de la posición y la velocidad. Por lo tanto, incluso en su estado de energía más bajo, la partícula se mueve un poco, lo suficiente para satisfacer las leyes de la mecánica cuántica.

Segundo, el esquema de Li y Duan requería que el átomo de nitrógeno magnético se preparara en una superposición de su polo norte apuntando tanto hacia arriba como hacia abajo.

Finalmente, se necesitaba un campo magnético para vincular el átomo de nitrógeno con el movimiento del cristal de diamante levitado. Esto transferiría la superposición magnética del átomo a la superposición de ubicación del nanocristal. Esta transferencia es posible por el hecho de que el átomo y la nanopartícula están entrelazados por el campo magnético. Ocurre de la misma manera que la superposición de la muestra radiactiva descompuesta y no descompuesta se convierte en la superposición del gato de Schrodinger en estados vivo y muerto.

Demostrando la teoría del colapso

Lo que dio fuerza a este trabajo teórico fueron dos emocionantes desarrollos experimentales. Ya en 2012 los grupos de Lukas Novotny y Romain Quidant demostraron que era posible enfriar una nanopartícula ópticamente levitada a una centésima de grado por encima del cero absoluto, la temperatura más baja teóricamente posible, modulando la intensidad de la pinza óptica. El efecto fue el mismo que el de frenar a un niño en un columpio empujándolo en los momentos adecuados.

En 2016, los mismos investigadores pudieron enfriarse hasta una diezmilésima de grado por encima del cero absoluto. Alrededor de esta época, nuestros grupos publicaron un artículo que establecía que la temperatura requerida para alcanzar el estado fundamental cuántico de una nanopartícula pinzada era de alrededor de una millonésima de grado por encima del cero absoluto. Este requisito es un desafío, pero al alcance de los experimentos en curso.

El segundo desarrollo emocionante fue la levitación experimental de un nanodiamante portador de defectos de nitrógeno en 2014 en el grupo de Nick Vamivakas. Usando un campo magnético, también pudieron lograr el acoplamiento físico del átomo de nitrógeno y el movimiento del cristal requerido por el tercer paso del esquema Li-Duan.

La carrera ahora está en marcha para alcanzar el estado fundamental para que, de acuerdo con el plan Li-Duan, se pueda observar un objeto en dos ubicaciones colapsando en una sola entidad. Si las superposiciones se destruyen al ritmo predicho por las teorías del colapso, La mecánica cuántica tal como la conocemos tendrá que ser revisada.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.