Los físicos de la Universidad de Basilea han desarrollado una nueva técnica de enfriamiento para sistemas cuánticos mecánicos. Usando un gas atómico ultrafrío, las vibraciones de una membrana se enfriaron a menos de 1 grado por encima del cero absoluto. Esta técnica puede permitir nuevos estudios de física cuántica y dispositivos de medición de precisión, como informan los investigadores en la revista Nanotecnología de la naturaleza .

Los gases atómicos ultrafríos se encuentran entre los objetos más fríos que existen. Los rayos láser se pueden utilizar para atrapar átomos dentro de una cámara de vacío y ralentizar su movimiento a un lento, alcanzando temperaturas de menos de una millonésima de grado por encima del cero absoluto, la temperatura a la que se detiene todo movimiento. A temperaturas tan bajas, Los átomos obedecen las leyes de la física cuántica:se mueven como pequeños paquetes de ondas y pueden estar en una superposición de estar en varios lugares a la vez. Estas características se aprovechan en tecnologías como los relojes atómicos y otros dispositivos de medición de precisión.

Un frigorífico atómico ultrafrío

¿Pueden estos gases ultrafríos usarse también como refrigerantes, enfriar otros objetos a temperaturas muy bajas? Esto abriría muchas posibilidades para la investigación de la física cuántica en sistemas nuevos y potencialmente más grandes. El problema es que los átomos son microscópicamente pequeños e incluso las nubes más grandes producidas hasta ahora, que constan de varios miles de millones de átomos ultrafríos, todavía contienen muchas menos partículas que algo tan pequeño como un grano de arena. Como resultado, el poder de enfriamiento de los átomos es limitado.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Basilea dirigido por el profesor Philipp Treutlein ha logrado utilizar átomos ultrafríos para enfriar las vibraciones de una membrana de tamaño milimétrico. La membrana una película de nitruro de silicio de 50 nm de espesor, oscila hacia arriba y hacia abajo como un pequeño parche cuadrado. Estos osciladores mecánicos nunca están completamente en reposo, pero muestran vibraciones térmicas que dependen de su temperatura. Aunque la membrana contiene aproximadamente mil millones de veces más partículas que la nube atómica, se observó un fuerte efecto de enfriamiento, que enfrió las vibraciones de la membrana a menos de 1 grado por encima del cero absoluto.

"El truco aquí es concentrar todo el poder de enfriamiento de los átomos en el modo vibratorio deseado de la membrana, "explica el Dr. Andreas Jöckel, un miembro del equipo del proyecto. La interacción entre los átomos y la membrana se genera mediante un rayo láser. Como explica el físico:"La luz láser ejerce fuerzas sobre la membrana y los átomos. La vibración de la membrana cambia la fuerza de la luz sobre los átomos y viceversa". El láser transmite el efecto de enfriamiento a distancias de varios metros, por lo que la nube atómica no tiene que estar en contacto directo con la membrana. El acoplamiento se amplifica mediante un resonador óptico que consta de dos espejos, entre los cuales se intercala la membrana.

El primer experimento de este tipo en todo el mundo

Ya se han propuesto teóricamente sistemas que utilizan luz para acoplar átomos ultrafríos y osciladores mecánicos. El experimento de la Universidad de Basilea es el primero en todo el mundo en realizar un sistema de este tipo y utilizarlo para enfriar el oscilador. Otras mejoras técnicas deberían permitir enfriar las vibraciones de la membrana al estado fundamental de la mecánica cuántica.

Para los investigadores, enfriar la membrana con los átomos es solo el primer paso:"La naturaleza cuántica bien controlada de los átomos combinada con la interacción inducida por la luz abre nuevas posibilidades para el control cuántico de la membrana, "dice Treutlein. Esto puede permitir experimentos de física cuántica fundamentales con un sistema mecánico relativamente macroscópico, visible a simple vista. También es posible generar lo que se conoce como estados entrelazados entre átomos y membrana. Estos permitirían medir las vibraciones de la membrana con una precisión sin precedentes, lo que a su vez podría permitir el desarrollo de nuevos tipos de sensores para pequeñas fuerzas y masas.