Los investigadores han desarrollado un nuevo dispositivo que puede medir y controlar una nanopartícula atrapada en un rayo láser con una sensibilidad sin precedentes. La nueva tecnología podría ayudar a los científicos a estudiar el movimiento de una partícula macroscópica con resolución subatómica, una escala gobernada por las reglas de la mecánica cuántica más que por la física clásica.

Los investigadores de la Universidad de Viena en Austria y la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos informan sobre su nuevo dispositivo en Optica , Revista de la Optical Society para investigaciones de alto impacto. Aunque el enfoque se ha utilizado con átomos atrapados, el equipo es el primero en usarlo para medir con precisión el movimiento de una nanopartícula atrapada ópticamente formada por miles de millones de átomos.

"A largo plazo, este tipo de dispositivo podría ayudarnos a comprender los materiales a nanoescala y sus interacciones con el medio ambiente en un nivel fundamental, ", dijo el líder del equipo de investigación Markus Aspelmeyer de la Universidad de Viena." Esto podría conducir a nuevas formas de adaptar los materiales mediante la explotación de sus características a nanoescala.

"Estamos trabajando para mejorar el dispositivo y aumentar nuestra sensibilidad actual en cuatro órdenes de magnitud, "Aspelmeyer continuó." Esto nos permitiría utilizar la interacción de la cavidad con la partícula para sondear o incluso controlar el estado cuántico de la partícula, que es nuestro objetivo final ".

Haciendo pequeñas medidas

El nuevo método utiliza un dispositivo a nanoescala de guía de luz llamado cavidad de cristal fotónico para monitorear la posición de una nanopartícula que levita en una trampa óptica tradicional. El atrapamiento óptico utiliza un rayo láser enfocado para ejercer una fuerza sobre un objeto y mantenerlo en su lugar. La técnica fue reconocida por la concesión del Premio Nobel de Física 2018 al pionero, Arthur Ashkin.

"Sabemos que las leyes de la física cuántica se aplican a la escala de átomos y a la escala de moléculas, pero no sabemos qué tan grande puede ser un objeto y aún exhibimos fenómenos de física cuántica, ", dijo Aspelmeyer." Al atrapar una nanopartícula y acoplarla a una cavidad de cristal fotónico, podemos aislar un objeto que sea más grande que los átomos o las moléculas y estudiar sus comportamientos cuánticos ".

El nuevo dispositivo logra un alto nivel de sensibilidad mediante el uso de una cavidad de cristal fotónico larga que es más estrecha que la longitud de onda de la luz. Esto significa que cuando la luz entra y viaja por la cavidad a nanoescala, parte de ella se filtra y forma lo que se llama un campo evanescente. El campo evanescente cambia cuando un objeto se coloca cerca del cristal fotónico, lo que a su vez cambia la forma en que la luz se propaga a través del cristal fotónico de una manera mensurable.

"Al examinar cómo cambia la luz en el cristal fotónico en respuesta a la nanopartícula, podemos deducir la posición de la nanopartícula a lo largo del tiempo con una resolución muy alta, "dijo Lorenzo Magrini, primer autor del artículo.

Recolectando cada fotón

El nuevo dispositivo detecta casi todos los fotones que interactúan con la nanopartícula atrapada. Esto no solo lo ayuda a lograr una sensibilidad extremadamente alta, sino que también significa que el nuevo enfoque utiliza mucha menos potencia óptica en comparación con otros métodos en los que se pierde la mayoría de los fotones.

En condiciones de vacío, los investigadores demostraron, por cada fotón detectado, una sensibilidad dos órdenes de magnitud superior a la de los métodos convencionales para medir el desplazamiento de nanopartículas en una trampa óptica. También informan que la fuerza de la interacción entre la partícula y el campo evanescente de la cavidad fue tres órdenes de magnitud más alta que lo que se informó anteriormente. Una interacción más fuerte significa que la cavidad fotónica puede detectar más información sobre el movimiento de la partícula.

Al igual que en varios otros grupos de investigación de todo el mundo, los investigadores están trabajando para lograr mediciones cuánticas. Ahora están mejorando su configuración y trabajando para aumentar sustancialmente la sensibilidad del dispositivo. Esto permitiría realizar mediciones en condiciones de vacío más fuertes que aumentan el aislamiento de una partícula del medio ambiente. Además de estudiar mecánica cuántica, El nuevo dispositivo podría usarse para medir con precisión la aceleración y otras fuerzas que puedan surgir en escalas de longitud microscópicas.