La cuestión de dónde se encuentra el límite entre la física clásica y la cuántica es una de las búsquedas más antiguas de la investigación científica moderna, y en una nueva investigación publicada hoy, los científicos demuestran una plataforma novedosa que podría ayudarnos a encontrar una respuesta.

Las leyes de la física cuántica gobiernan el comportamiento de las partículas a escalas minúsculas, lo que lleva a fenómenos como el entrelazamiento cuántico, donde las propiedades de las partículas entrelazadas quedan inextricablemente vinculadas de maneras que la física clásica no puede explicar.

La investigación en física cuántica nos ayuda a llenar vacíos en nuestro conocimiento de la física y puede brindarnos una imagen más completa de la realidad, pero las pequeñas escalas en las que operan los sistemas cuánticos pueden dificultar su observación y estudio.

Durante el siglo pasado, los físicos han observado con éxito fenómenos cuánticos en objetos cada vez más grandes, desde partículas subatómicas como electrones hasta moléculas que contienen miles de átomos.

Más recientemente, el campo de la optomecánica de levitación, que se ocupa del control de objetos de gran masa a escala micrométrica en el vacío, pretende ir más allá probando la validez de los fenómenos cuánticos en objetos que son varios órdenes de magnitud más pesados ​​que los átomos y moléculas. Sin embargo, a medida que aumentan la masa y el tamaño de un objeto, las interacciones que dan lugar a características cuánticas delicadas, como el entrelazamiento, se pierden en el entorno, lo que da lugar al comportamiento clásico que observamos.

Pero ahora, el equipo codirigido por el Dr. Jayadev Vijayan, jefe del Laboratorio de Ingeniería Cuántica de la Universidad de Manchester, con científicos de ETH Zurich y teóricos de la Universidad de Innsbruck, ha establecido un nuevo enfoque para superar este problema en un experimento realizado en ETH Zurich, publicado en la revista Nature Physics .

El Dr. Vijayan dijo:"Para observar los fenómenos cuánticos a escalas mayores y arrojar luz sobre la transición cuántica clásica, las características cuánticas deben preservarse en presencia de ruido del entorno. Como puede imaginar, hay dos formas de hacerlo".; uno es suprimir el ruido y el segundo es potenciar las funciones cuánticas.

"Nuestra investigación demuestra una manera de afrontar el desafío adoptando el segundo enfoque. Mostramos que las interacciones necesarias para el entrelazamiento entre dos partículas de vidrio de 0,1 micrones ópticamente atrapadas pueden amplificarse en varios órdenes de magnitud para superar las pérdidas en el medio ambiente. "

Los científicos colocaron las partículas entre dos espejos altamente reflectantes que forman una cavidad óptica. De esta manera, los fotones dispersados ​​por cada partícula rebotan entre los espejos varios miles de veces antes de abandonar la cavidad, lo que aumenta significativamente las posibilidades de interactuar con la otra partícula.

Johannes Piotrowski, codirector del artículo de ETH Zurich, añadió:"Sorprendentemente, debido a que las interacciones ópticas están mediadas por la cavidad, su fuerza no disminuye con la distancia, lo que significa que podríamos acoplar partículas a escala micrométrica en varios milímetros". P>

Los investigadores también demuestran la notable capacidad de ajustar o controlar con precisión la fuerza de interacción variando las frecuencias del láser y la posición de las partículas dentro de la cavidad.

Los hallazgos representan un salto significativo hacia la comprensión de la física fundamental, pero también son prometedores para aplicaciones prácticas, particularmente en tecnología de sensores que podría usarse para el monitoreo ambiental y la navegación fuera de línea.

El Dr. Carlos González-Ballestero, colaborador de la Universidad Técnica de Viena, dijo:"La fortaleza clave de los sensores mecánicos levitados es su gran masa en relación con otros sistemas cuánticos que utilizan sensores. La gran masa los hace muy adecuados para detectar fuerzas gravitacionales y aceleraciones, lo que resulta en una mejor sensibilidad. Como tales, los sensores cuánticos se pueden usar en muchas aplicaciones diferentes en diversos campos, como el monitoreo del hielo polar para la investigación climática y la medición de aceleraciones con fines de navegación".

Piotrowski añadió:"Es emocionante trabajar en esta plataforma relativamente nueva y probar hasta qué punto podemos llevarla al régimen cuántico".

Ahora, el equipo de investigadores combinará las nuevas capacidades con técnicas de enfriamiento cuántico bien establecidas en un paso hacia la validación del entrelazamiento cuántico. Si tiene éxito, lograr el entrelazamiento de nanopartículas y micropartículas levitadas podría reducir la brecha entre el mundo cuántico y la mecánica clásica cotidiana.

En el Photon Science Institute y el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Manchester, el equipo del Dr. Jayadev Vijayan continuará trabajando en optomecánica levitada, aprovechando las interacciones entre múltiples nanopartículas para aplicaciones en detección cuántica.

Más información: Interacciones de largo alcance mediadas por cavidades en optomecánica levitada, Física de la naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02405-3. www.nature.com/articles/s41567-024-02405-3

Información de la revista: Física de la Naturaleza

Proporcionado por la Universidad de Manchester