Cuando una partícula está completamente aislada de su entorno, las leyes de la física cuántica comienzan a jugar un papel crucial. Un requisito importante para ver los efectos cuánticos es eliminar toda la energía térmica del movimiento de las partículas, es decir, enfriarlo lo más cerca posible de la temperatura de cero absoluto. Investigadores de la Universidad de Viena, la Academia de Ciencias de Austria y el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) están ahora un paso más cerca de alcanzar este objetivo al demostrar un nuevo método para enfriar nanopartículas levitadas. Ahora publican sus resultados en la reconocida revista Cartas de revisión física .

Los rayos láser bien enfocados pueden actuar como "pinzas" ópticas para atrapar y manipular objetos pequeños, desde partículas de vidrio hasta células vivas. El desarrollo de este método le ha valido a Arthur Ashkin el premio Nobel de física del año pasado. Si bien la mayoría de los experimentos hasta ahora se han llevado a cabo en aire o líquido, Existe un interés creciente por el uso de pinzas ópticas para atrapar objetos en vacío ultra alto:estas partículas aisladas no solo exhiben un rendimiento de detección sin precedentes, pero también se puede utilizar para estudiar los procesos fundamentales de los motores térmicos nanoscópicos, o fenómenos cuánticos que involucran grandes masas.

Un elemento clave en estos esfuerzos de investigación es obtener un control total sobre el movimiento de las partículas, idealmente en un régimen donde las leyes de la física cuántica dominan su comportamiento. Intentos previos para lograr esto, han modulado la propia pinza óptica, o sumergió la partícula en campos de luz adicionales entre configuraciones de espejos altamente reflectantes, es decir, cavidades ópticas.

Sin embargo, El ruido del láser y las grandes intensidades requeridas por láser han planteado un límite sustancial a estos métodos. "Nuestro nuevo esquema de enfriamiento proviene directamente de la comunidad de física atómica, donde existan desafíos similares para el control cuántico ", dice Uros Delic, autor principal del estudio reciente publicado en Cartas de revisión física por investigadores de la Universidad de Viena, la Academia de Ciencias de Austria y el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), que estuvo encabezada por Markus Aspelmeyer. La idea se remonta a los primeros trabajos del físico Helmut Ritsch de Innsbruck y de los físicos estadounidenses Vladan Vuletic y Steve Chu. que se dio cuenta de que es suficiente utilizar la luz que se dispersa directamente desde la propia pinza óptica si la partícula se mantiene dentro de una cavidad óptica inicialmente vacía.

Una nanopartícula en una pinza óptica dispersa una pequeña parte de la luz de la pinza en casi todas las direcciones. Si la partícula se coloca dentro de una cavidad óptica, una parte de la luz dispersa se puede almacenar entre sus espejos. Como resultado, los fotones se dispersan preferentemente en la cavidad óptica. Sin embargo, esto solo es posible para luces de colores específicos, o dicho de otra manera, energías fotónicas específicas. Si usamos luz de pinza de un color que corresponde a una energía de fotón ligeramente menor que la requerida, las nanopartículas "sacrificarán" parte de su energía cinética para permitir la dispersión de fotones en la cavidad óptica. Esta pérdida de energía cinética enfría efectivamente su movimiento. El método ha sido demostrado para átomos antes por Vladan Vuletic, coautor de este trabajo. Este es, sin embargo, la primera vez que se ha aplicado a nanopartículas y se ha utilizado para enfriar en las tres direcciones de movimiento.

"Nuestro método de enfriamiento es mucho más poderoso que todos los esquemas previamente demostrados. Sin las limitaciones impuestas por el ruido del láser y la potencia del láser, el comportamiento cuántico de las nanopartículas levitadas debería estar a la vuelta de la esquina", dice Delic.