Investigadores en Austria han utilizado láseres para levitar y enfriar una nanopartícula de vidrio en el régimen cuántico. Aunque está atrapado en un ambiente a temperatura ambiente, el movimiento de la partícula se rige únicamente por las leyes de la física cuántica. El equipo de científicos de la Universidad de Viena, la Academia de Ciencias de Austria y el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) publicaron su nuevo estudio en la revista Ciencias .

Es bien sabido que las propiedades cuánticas de los átomos individuales pueden controlarse y manipularse con luz láser. Incluso grandes nubes de cientos de millones de átomos pueden introducirse en el régimen cuántico, dando lugar a estados cuánticos macroscópicos de la materia, como los gases cuánticos o los condensados ​​de Bose-Einstein, que hoy en día también se utilizan ampliamente en tecnologías cuánticas. Un próximo paso emocionante es extender este nivel de control cuántico a los objetos de estado sólido. En contraste con las nubes atómicas, la densidad de un sólido es mil millones de veces mayor, y todos los átomos están obligados a moverse juntos a lo largo del centro de masa del objeto.

Sin embargo, Entrar en este nuevo régimen no es en absoluto una tarea sencilla. Un primer paso para lograr dicho control cuántico es aislar el objeto bajo investigación de las influencias del medio ambiente y eliminar toda la energía térmica, enfriándolo a temperaturas muy cercanas al cero absoluto (-273,15 grados Celsius) de modo que la mecánica cuántica domine la movimiento de la partícula. Para mostrar esto, los investigadores optaron por experimentar con una cuenta de vidrio aproximadamente 1000 veces más pequeña que un grano de arena y que contenía algunos cientos de millones de átomos. El aislamiento del medio ambiente se logra atrapando ópticamente la partícula en un rayo láser bien enfocado en alto vacío, un truco que fue introducido originalmente por el premio Nobel Arthur Ashkin hace muchas décadas, y que también se usa para aislar átomos. "El verdadero desafío es enfriar el movimiento de las partículas hasta su estado fundamental cuántico. El enfriamiento por láser mediante transiciones atómicas está bien establecido y es una opción natural para los átomos, pero no funciona para sólidos, "dice el autor principal Uros Delic de la Universidad de Viena.

Por esta razón, el equipo ha estado trabajando en la implementación de un método de enfriamiento por láser propuesto por el físico austriaco Helmut Ritsch en la Universidad de Innsbruck y, independientemente, por el coautor del estudio Vladan Vuletic y el premio Nobel Steven Chu. Recientemente habían anunciado una primera demostración del principio de funcionamiento, enfriamiento de la cavidad por dispersión coherente; sin embargo, todavía estaban limitados a operar lejos del régimen cuántico.

"Hemos mejorado nuestro experimento y ahora no solo podemos eliminar más gas de fondo, sino también para enviar más fotones para enfriar, "dice Delic. De esa manera, el movimiento de la perla de vidrio se puede enfriar directamente al régimen cuántico. "Es divertido pensar en esto:la superficie de nuestra cuenta de vidrio está extremadamente caliente, alrededor de 300 grados centígrados, porque el láser calienta los electrones del material. Pero el movimiento del centro de masa de la partícula es ultrafrío, alrededor de 0,00001 grados Celsius del cero absoluto, y podemos demostrar que la partícula caliente se mueve de forma cuántica ".

Los investigadores están entusiasmados con las perspectivas de su trabajo. El movimiento cuántico de los sólidos también ha sido investigado por otros grupos de todo el mundo, junto con el equipo de Viena. Hasta ahora, Los sistemas experimentales consistieron en resonadores nano y micromecánicos, en esencia, tambores o trampolines sujetos a una estructura de soporte rígida. "La levitación óptica brinda mucha más libertad:al cambiar la trampa óptica, o incluso apagarla, podemos manipular el movimiento de las nanopartículas de formas completamente nuevas, "dice Nikolai Kiesel, coautor y profesor adjunto de la Universidad de Viena.

Se han propuesto varios esquemas en esta línea, entre otros por los físicos austriacos Oriol Romero-Isart y Peter Zoller en Innsbruck, y ahora puede ser posible. Por ejemplo, en combinación con el estado fundamental de movimiento recién logrado, los autores esperan que esto abra nuevas oportunidades para un rendimiento de detección sin precedentes, el estudio de los procesos fundamentales de los motores térmicos en régimen cuántico, así como el estudio de fenómenos cuánticos que involucran grandes masas. "Una década atrás, comenzamos este experimento motivados por la perspectiva de una nueva categoría de experimentos cuánticos. Finalmente hemos abierto la puerta a este régimen ".