Un equipo de científicos del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz, dirigido por la Dra. Birgit Stiller, ha logrado enfriar las ondas sonoras viajeras en guías de ondas mucho más de lo que antes era posible utilizando luz láser. Este logro representa un paso significativo hacia el objetivo final de alcanzar el estado fundamental cuántico del sonido en guías de ondas.
Se pueden eliminar los ruidos no deseados generados por las ondas acústicas a temperatura ambiente. Este enfoque experimental proporciona una comprensión más profunda de la transición de los fenómenos del sonido clásicos a los cuánticos y es relevante para los sistemas de comunicación cuánticos y las futuras tecnologías cuánticas.
El estado fundamental cuántico de una onda acústica de una determinada frecuencia se puede alcanzar enfriando completamente el sistema. De esta manera, se puede reducir a casi cero el número de partículas cuánticas, los llamados fonones acústicos, que perturban las mediciones cuánticas, y se puede salvar la brecha entre la mecánica clásica y la cuántica.
Durante la última década, se han realizado importantes avances tecnológicos que han hecho posible poner varios sistemas en este estado. Las vibraciones mecánicas que oscilan entre dos espejos en un resonador se pueden enfriar a temperaturas muy bajas hasta el estado fundamental cuántico. Esto todavía no ha sido posible con las fibras ópticas en las que se pueden propagar ondas sonoras de alta frecuencia. Ahora, los investigadores del Grupo de Investigación Stiller han dado un paso más hacia este objetivo.
En su estudio, publicado recientemente en Physical Review Letters Según informan, pudieron reducir la temperatura de una onda sonora en una fibra óptica inicialmente a temperatura ambiente en 219 K mediante enfriamiento por láser, diez veces más de lo que se había informado anteriormente. Al final, el número de fonones inicial se redujo en un 75% a una temperatura de 74 K, -199 Celsius.
Una reducción tan drástica de la temperatura fue posible gracias al uso de luz láser. El enfriamiento de las ondas sonoras que se propagan se logró mediante el efecto óptico no lineal de la dispersión Brillouin estimulada, en la que las ondas de luz se acoplan eficientemente a las ondas sonoras.
Gracias a este efecto, la luz láser enfría las vibraciones acústicas y crea un entorno con menos ruido térmico, que en cierta medida es un ruido "perturbador" para, por ejemplo, un sistema de comunicación cuántica. "Una ventaja interesante de las fibras de vidrio, además de esta fuerte interacción, es que pueden conducir excelentemente la luz y el sonido a largas distancias", afirma Laura Blázquez Martínez, una de las autoras principales del artículo y estudiante de doctorado en el Grupo de investigación Stiller.
La mayoría de las plataformas físicas llevadas anteriormente al estado fundamental cuántico eran microscópicas. Sin embargo, en este experimento, la longitud de la fibra óptica era de 50 cm y una onda de sonido que se extendía a lo largo de los 50 cm del núcleo de la fibra se enfrió a temperaturas extremadamente bajas.
"Estos resultados son un paso muy interesante hacia el estado fundamental cuántico de las guías de ondas, y la manipulación de fonones acústicos tan largos abre posibilidades para aplicaciones de banda ancha en la tecnología cuántica", según la Dra. Birgit Stiller, jefa del grupo de optoacústica cuántica. /P>
El sonido, en el mundo clásico cotidiano, puede entenderse como una onda de densidad en un medio. Sin embargo, desde la perspectiva de la mecánica cuántica, el sonido también puede describirse como una partícula:el fonón. Esta partícula, el cuanto de sonido, representa la cantidad más pequeña de energía que se presenta como onda acústica a una determinada frecuencia. Para ver y estudiar un único cuanto de sonido, se debe minimizar el número de fonones.
La transición del comportamiento clásico al cuántico del sonido a menudo se observa más fácilmente en el estado fundamental cuántico, donde el número de fonones es cercano a cero en promedio, de modo que las vibraciones están casi congeladas y los efectos cuánticos pueden medirse. P>
Stiller dice:"Esto abre la puerta a un nuevo panorama de experimentos que nos permiten obtener conocimientos más profundos sobre la naturaleza fundamental de la materia". La ventaja de utilizar un sistema de guía de ondas es que la luz y el sonido no quedan atrapados entre dos espejos sino que se propagan a lo largo de la guía de ondas. Las ondas acústicas existen como un continuo, no sólo para frecuencias específicas, y pueden tener un amplio ancho de banda, lo que las hace prometedoras para aplicaciones como sistemas de comunicación de alta velocidad.
"Estamos muy entusiasmados con los nuevos conocimientos que aportará llevar estas fibras al estado fundamental cuántico", subraya el líder del grupo de investigación. "No sólo desde el punto de vista de la investigación fundamental, que nos permite echar un vistazo a la naturaleza cuántica de los objetos extendidos, sino también por las aplicaciones que esto podría tener en esquemas de comunicaciones cuánticas y futuras tecnologías cuánticas."
Más información: Laura Blázquez Martínez et al, Enfriamiento optoacústico de ondas hipersónicas viajeras, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.023603
Información de la revista: Cartas de revisión física
Proporcionado por el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz
