Investigadores del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana (EPFL) e IBM Research Europe demostraron recientemente el enfriamiento láser de un oscilador nanomecánico hasta su energía de punto cero (es decir, el punto en el que contiene una cantidad mínima de energía). Su exitosa demostración, presentado en Cartas de revisión física , podría tener importantes implicaciones para el desarrollo de tecnologías cuánticas.

Por un largo tiempo, investigadores especializados en diferentes áreas de la ciencia y la tecnología han estado desarrollando herramientas que aprovechan las propiedades acústicas de los objetos, como resonancias acústicas o vibraciones mecánicas. Por ejemplo, Las resonancias mecánicas se han utilizado durante mucho tiempo para procesar señales o para la recopilación de medidas de alta precisión.

A un nivel más fundamental, estas resonancias siguen las leyes de la mecánica cuántica. Las tecnologías futuras que aprovechan las propiedades acústicas de los materiales también podrían aprovechar sus características mecánicas cuánticas, como el entrelazamiento entre dos vibraciones mecánicas o la superposición de dos estados vibracionales.

"Esta entrada en el régimen cuántico es paralela a otras tecnologías cuánticas, como las computadoras cuánticas, "Dr. Itay Shomroni, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "La naturaleza cuántica de estos objetos relativamente grandes está enmascarada por influencias externas del medio ambiente, el más generalizado es el ruido térmico:fluctuaciones aleatorias debidas a una temperatura finita ".

Para alcanzar un régimen en el que sea posible observar efectos de la mecánica cuántica, Los investigadores primero tienen que eliminar el ruido derivado de las influencias ambientales. Esto se puede lograr enfriando un oscilador mecánico a su estado de energía más bajo posible, conocido como estado fundamental.

Debido a las leyes de la mecánica cuántica, un oscilador no se congela cuando está en su estado fundamental, sino más bien, contiene una cantidad mínima de energía, la llamada "energía de punto cero". Durante la última década, diferentes grupos de investigación se han acercado cada vez más a llevar el movimiento mecánico al estado fundamental y, por lo tanto, a la energía de punto cero, utilizando una variedad de osciladores nanomecánicos y micromecánicos.

"Un enfoque es simplemente enfriar todo el aparato a temperaturas extremadamente bajas, en el rango de mili-Kelvin, "Shomroni dijo, "pero esto aumenta la complejidad de los experimentos e introduce otras limitaciones. También hemos tenido como objetivo alcanzar el enfriamiento del estado fundamental en nuestro sistema que opera a varios Kelvin".

En su estudio, Liu Qiu, Shomroni, y sus colegas intentaron enfriar un oscilador nanomecánico hasta su energía de punto cero utilizando técnicas de enfriamiento por láser. Notablemente, pudieron alcanzar una ocupación extremadamente baja (es decir, 92% de ocupación del estado fundamental), empujando el sistema mucho más profundamente en el régimen cuántico.

"Usamos luz láser para enfriar el movimiento de nuestro oscilador mecánico, que puede parecer sorprendente al principio, "Explicó Shomroni." Esta es una técnica bien conocida que se usó en otros experimentos, así como. La luz ejerce una fuerza sobre la materia llamada presión de radiación. Esta fuerza se puede utilizar para humedecer y enfriar el movimiento mecánico, siempre que se aplique correctamente, oponiéndose a la velocidad del objeto ".

En el experimento, la vibración mecánica se produce en una sección de un nanohaz de silicio de varias micras de largo y 220 nm x 530 nm de sección transversal. Esta sección también forma parte de una cavidad óptica en la que los investigadores inyectaron rayos láser. La vibración y la ligera presión en este sistema son interdependientes, por lo tanto, se relacionan de una manera que finalmente enfría el sistema.

"Tal como lo conocemos, la luz también puede calentar objetos porque se absorbe, "Dijo Shomroni." Para minimizar el efecto de la absorción, rodeamos nuestro oscilador con una pequeña cantidad de gas helio, para que el exceso de calor se disipe rápidamente ".

Usando su método basado en enfriamiento láser, Qiu, Shomroni y sus colegas pudieron enfriar un oscilador nanomecánico muy cerca de su energía de punto cero. Los resultados que lograron demuestran la efectividad de enfoques que aprovechan la interacción de la tecnología láser con vibraciones mecánicas para enfriar objetos mecánicos.

Los investigadores también midieron la energía térmica residual en su sistema in situ utilizando una métrica sin calibración ofrecida por el propio oscilador, a saber, la relación de sus tasas de absorción y emisión. También se sabe que esta métrica en particular es una firma de la naturaleza cuántica de un oscilador.

La capacidad de enfriar un sistema cuántico hasta su estado fundamental podría abrir nuevas posibilidades, tanto para el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas como para futuras investigaciones en mecánica cuántica. Por ejemplo, esta capacidad podría permitir la creación de un objeto mecánico relativamente grande en un estado de superposición cuántica conocido como estado del gato de Schrödinger.

Es más, El desarrollo de un método que pueda acercar los sistemas mecánicos a su energía de punto cero podría tener importantes implicaciones para la computación cuántica. Los investigadores de IBM están tratando de desarrollar dispositivos que puedan transducir información cuántica de manera eficiente, convirtiéndolo de qubits superconductores en fotones ópticos.

"Dichos dispositivos servirían como un medio para conectar computadoras cuánticas basadas en qubits superconductores con cables de fibra óptica para crear una red cuántica y escalar aún más la potencia de cálculo". "Paul Seidler, otro investigador que realizó el estudio, dijo a Phys.org "Hasta la fecha, Los enfoques más exitosos de la transducción óptica por microondas utilizan un sistema mecánico como intermediario. Para esta aplicación, la capacidad de inicializar el sistema mecánico en su estado fundamental puede ser esencial ".

En el trabajo futuro, El equipo de EPFL-IBM planea usar su técnica para enfriar sistemas mecánicos hasta su energía de punto cero para controlar su movimiento de nuevas formas interesantes. Por ejemplo, a los investigadores les gustaría explorar el potencial de su método para producir una variedad de estados cuánticos exóticos.

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