Una esfera de vidrio de cien nanómetros de diámetro (un punto verde en el centro de la imagen) se hace flotar mediante un rayo láser bien enfocado. Crédito:ETH Zurich
Investigadores de ETH Zurich han atrapado una pequeña esfera que mide cien nanómetros usando luz láser y han ralentizado su movimiento al estado mecánico cuántico más bajo. Esta técnica podría ayudar a los investigadores a estudiar los efectos cuánticos en objetos macroscópicos y construir sensores extremadamente sensibles.
¿Por qué los átomos o las partículas elementales pueden comportarse como ondas de acuerdo con la física cuántica? que les permite estar en varios lugares al mismo tiempo? ¿Y por qué todo lo que vemos a nuestro alrededor obedece obviamente las leyes de la física clásica? donde tal fenómeno es imposible? En años recientes, Los investigadores han persuadido a objetos cada vez más grandes para que se comporten de forma mecánica cuántica. Una consecuencia de esto es que, al pasar por una doble rendija, estos objetos forman un patrón de interferencia que es característico de las ondas.
Hasta ahora, esto podría lograrse con moléculas formadas por unos pocos miles de átomos. Sin embargo, Los físicos esperan algún día poder observar tales efectos cuánticos con objetos propiamente macroscópicos. Lukas Novotny, profesor de fotónica, y sus colaboradores en el Departamento de Tecnología de la Información e Ingeniería Eléctrica de ETH Zurich han dado un paso crucial en esa dirección. Sus resultados fueron publicados recientemente en la revista científica Naturaleza .
Nanosfera flotante
El objeto macroscópico del laboratorio de Novotny es una pequeña esfera de vidrio. Aunque sólo tiene cien nanómetros de diámetro, consta de hasta 10 millones de átomos. Usando un rayo láser bien enfocado, la esfera se hace flotar en una trampa óptica dentro de un recipiente al vacío enfriado a 269 grados bajo cero. Cuanto menor sea la temperatura, cuanto menor es el movimiento térmico.
"Sin embargo, para ver claramente los efectos cuánticos, la nanoesfera debe ralentizarse aún más, todo el camino a su estado fundamental de movimiento, "explica Felix Tebbenjohanns, un postdoctorado en el laboratorio de Novotny. Las oscilaciones de la esfera, y de ahí su energía motriz, se reducen hasta el punto en que la relación de incertidumbre de la mecánica cuántica prohíbe una reducción adicional. "Esto significa que congelamos la energía de movimiento de la esfera a un mínimo cercano al movimiento de punto cero de la mecánica cuántica, "Dice Tebbenjohanns.
Una nanoesfera se hace flotar mediante luz láser enfocada (a). La luz láser actúa como una trampa en la que la esfera puede oscilar hacia adelante y hacia atrás (b). Los campos eléctricos se utilizan para ralentizar ese movimiento. Crédito:ETH Zurich
Medir y ralentizar
Lograr esto, los investigadores utilizan un método que es bien conocido para reducir la velocidad de un columpio en el patio de recreo:la cantidad justa de empujar o tirar en la dirección correcta, dependiendo de dónde se encuentre el columpio. Con un columpio echar un buen vistazo y actuar en consecuencia hará el truco. En el caso de una nanoesfera, sin embargo, se requiere una medición más precisa. Esta medida consiste en superponer la luz reflejada por la esfera sobre otro rayo láser, lo que da como resultado un patrón de interferencia. A partir de la posición de ese patrón de interferencia es posible deducir dónde se encuentra la esfera dentro de la trampa láser. Esa información, Sucesivamente, se utiliza para calcular la fuerza con la que se debe empujar o tirar de la esfera para ralentizarla. La ralentización en sí se realiza mediante dos electrodos, cuyo campo eléctrico ejerce una fuerza de Coulomb determinada con precisión sobre la nanoesfera cargada eléctricamente.
Primer control cuántico en el espacio libre
"Esta es la primera vez que se utiliza un método de este tipo para controlar el estado cuántico de un objeto macroscópico en el espacio libre, "Dice Novotny. Aunque se han obtenido resultados similares con esferas en resonadores ópticos, El enfoque de Novotny tiene ventajas importantes:es menos susceptible a perturbaciones, y apagando la luz láser se puede, si es requerido, Examine la esfera en completo aislamiento.
Un examen tan aislado se vuelve particularmente relevante cuando se intenta realizar experimentos de interferencia, como los observados con ondas de luz, con la nanoesfera. Esto se debe a que para ver los efectos de interferencia, la onda mecánica cuántica de la esfera debe ser lo suficientemente grande. Una forma de lograr esto es apagar la trampa láser después de enfriar la esfera a su estado fundamental de movimiento, lo que permite que su onda cuántica se expanda libremente. Entonces, diferentes partes de la ola pueden caer a través de una doble rendija. Como ocurre con las moléculas, también en este caso se espera que la superposición de las ondas de materia dé como resultado un patrón de interferencia característico.
Posibles aplicaciones en sensores
"Por ahora, sin embargo, eso es solo una quimera, "Novotny advierte. Aún así, También menciona que las nanoesferas flotantes son de interés no solo para la investigación básica, pero también puede tener aplicaciones prácticas. Hoy en día ya existen sensores que pueden medir las más mínimas aceleraciones o rotaciones utilizando ondas atómicas interferentes. A medida que la sensibilidad de tales sensores aumenta con el aumento de la masa del objeto que interfiere mecánicamente cuánticamente, los sensores podrían mejorarse enormemente con nanoesferas.
