Para el ojo humano la mayoría de los objetos estacionarios parecen ser solo eso, aún así, y completamente en reposo. Sin embargo, si nos dieran una lente cuántica, permitiéndonos ver objetos a escala de átomos individuales, lo que era una manzana sentada ociosamente en nuestro escritorio aparecería como una colección de partículas vibrantes, muy en movimiento.

En las últimas decádas, Los físicos han encontrado formas de superenfriar objetos para que sus átomos estén casi paralizados, o en su "estado fundamental de movimiento". Hasta la fecha, Los físicos han luchado contra pequeños objetos como nubes de millones de átomos, u objetos a escala de nanogramos, en estados cuánticos tan puros.

Ahora por primera vez científicos del MIT y otros lugares han enfriado una gran cantidad de objeto a escala humana para acercarse a su estado fundamental de movimiento. El objeto no es tangible en el sentido de estar situado en un lugar, pero es el movimiento combinado de cuatro objetos separados, cada uno con un peso de unos 40 kilogramos. El "objeto" que los investigadores enfriaron tiene una masa estimada de unos 10 kilogramos, y comprende aproximadamente 1x10 ²⁶ , o casi 1 octillón, átomos.

Los investigadores aprovecharon la capacidad del Observatorio de ondas gravitacionales del interfrómetro láser (LIGO) para medir el movimiento de las masas con extrema precisión y enfriar el movimiento colectivo de las masas a 77 nanokelvins, apenas por debajo del estado fundamental previsto del objeto de 10 nanokelvins.

Sus resultados, apareciendo hoy en Ciencias , representan el objeto más grande que se va a enfriar hasta acercarse a su estado fundamental de movimiento. Los científicos dicen que ahora tienen la oportunidad de observar el efecto de la gravedad en un objeto cuántico masivo.

"Nadie ha observado nunca cómo actúa la gravedad en estados cuánticos masivos, "dice Vivishek Sudhir, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT, quien dirigió el proyecto. "Hemos demostrado cómo preparar objetos a escala de kilogramos en estados cuánticos. Esto finalmente abre la puerta a un estudio experimental de cómo la gravedad podría afectar a los grandes objetos cuánticos. algo con lo que hasta ahora solo se había soñado ".

Los autores del estudio son miembros del Laboratorio LIGO, e incluyen al autor principal y estudiante de posgrado Chris Whittle, postdoctorado Evan Hall científica investigadora Sheila Dwyer, Decano de la Facultad de Ciencias y profesor de Astrofísica de Curtis y Kathleen Marble Nergis Mavalvala, y el profesor asistente de ingeniería mecánica Vivishek Sudhir.

Retroceso de precisión

Todos los objetos incorporan algún tipo de movimiento como resultado de las muchas interacciones que tienen los átomos, entre sí y de influencias externas. Todo este movimiento aleatorio se refleja en la temperatura de un objeto. Cuando un objeto se enfría cerca de la temperatura cero, todavía tiene un movimiento cuántico residual, un estado llamado "estado fundamental de movimiento".

Para detener un objeto en seco, se puede ejercer sobre él una fuerza igual y opuesta. (Piense en detener una pelota de béisbol en pleno vuelo con la fuerza de su guante). Si los científicos pueden medir con precisión la magnitud y la dirección de los movimientos de un átomo, pueden aplicar fuerzas contrarias para reducir su temperatura, una técnica conocida como enfriamiento por retroalimentación.

Los físicos han aplicado el enfriamiento por retroalimentación a través de varios medios, incluyendo luz láser, para llevar átomos individuales y objetos ultraligeros a sus estados fundamentales cuánticos, y han intentado sobreenfriar objetos progresivamente más grandes, para estudiar los efectos cuánticos en mayores, sistemas tradicionalmente clásicos.

"El hecho de que algo tenga temperatura es un reflejo de la idea de que interactúa con las cosas que lo rodean, "Dice Sudhir." Y es más difícil aislar los objetos más grandes de todas las cosas que suceden a su alrededor ".

Para enfriar los átomos de un objeto grande a un estado cercano al suelo, primero habría que medir su movimiento con extrema precisión, para conocer el grado de retroceso necesario para detener este movimiento. Pocos instrumentos en el mundo pueden alcanzar tal precisión. LIGO, como sucede, pueden.

El observatorio de detección de ondas gravitacionales comprende interferómetros gemelos en ubicaciones separadas de EE. UU. Cada interferómetro tiene dos túneles largos conectados en forma de L, y se extiende 4 kilómetros en cualquier dirección. En cada extremo de cada túnel hay un espejo de 40 kilogramos suspendido por fibras delgadas, que se balancea como un péndulo en respuesta a cualquier perturbación, como una onda gravitacional entrante. Un láser en el nexo de los túneles se divide y se envía por cada túnel, luego se refleja en su origen. La sincronización de los láseres de retorno les dice a los científicos con precisión cuánto se movió cada espejo, con una precisión de 1/10, 000 el ancho de un protón.

Sudhir y sus colegas se preguntaron si podrían usar la precisión de medición de movimiento de LIGO para medir primero el movimiento de grandes objetos a escala humana, luego aplique una fuerza contraria, contrario a lo que miden, para llevar los objetos a su estado fundamental.

Reaccionando en contra de la acción

El objeto que pretendían enfriar no es un espejo individual, sino más bien el movimiento combinado de los cuatro espejos de LIGO.

"LIGO está diseñado para medir el movimiento conjunto de los cuatro espejos de 40 kilogramos, "Sudhir explica." Resulta que puedes mapear matemáticamente el movimiento conjunto de estas masas, y piense en ellos como el movimiento de un solo objeto de 10 kilogramos ".

Al medir el movimiento de los átomos y otros efectos cuánticos, Sudhir dice:el mismo acto de medir puede patear aleatoriamente el espejo y ponerlo en movimiento, un efecto cuántico llamado "retroacción de la medición". A medida que los fotones individuales de un láser rebotan en un espejo para recopilar información sobre su movimiento, el impulso del fotón empuja hacia atrás en el espejo. Sudhir y sus colegas se dieron cuenta de que si los espejos se miden continuamente, como están en LIGO, el retroceso aleatorio de los fotones pasados ​​se puede observar en la información transportada por los fotones posteriores.

Armado con un registro completo de perturbaciones cuánticas y clásicas en cada espejo, los investigadores aplicaron una fuerza igual y opuesta con electroimanes unidos a la parte posterior de cada espejo. El efecto hizo que el movimiento colectivo casi se detuviera, dejando los espejos con tan poca energía que no se movieron más de 10 ^-20 metros, menos de una milésima parte del tamaño de un protón.

Luego, el equipo equiparó la energía restante del objeto, o movimiento, con temperatura, y encontró que el objeto estaba sentado en 77 nanokelvins, muy cerca de su estado fundamental de movimiento, que predicen que serán 10 nanokelvins.

"Esto es comparable a la temperatura que los físicos atómicos enfrían sus átomos para llegar a su estado fundamental, y eso es con una pequeña nube de tal vez un millón de átomos, pesando picogramos, "Sudhir dice". Entonces, es notable que puedas enfriar algo mucho más pesado, a la misma temperatura ".

"Preparar algo en el estado fundamental es a menudo el primer paso para ponerlo en estados cuánticos emocionantes o exóticos, ", Dice Whittle." Así que este trabajo es emocionante porque podría permitirnos estudiar algunos de estos otros estados, a una escala masiva que nunca se había hecho antes ".