La nanoesfera en el límite cuántico
Los sensores podrían mejorarse enormemente con nanoesferas
Investigadores de la ETH de Zúrich han atrapado una diminuta esfera de cien nanómetros mediante luz láser y han ralentizado su movimiento hasta el estado mecánico cuántico más bajo. A partir de ahí, se pueden estudiar los efectos cuánticos en objetos macroscópicos y construir sensores extremadamente sensibles.
Una esfera de cristal de un centenar de nanómetros de diámetro (punto verde en el centro de la imagen) se hace flotar mediante un rayo láser fuertemente enfocado.
ETH Zürich
¿Por qué los átomos o las partículas elementales pueden comportarse como ondas según la física cuántica, lo que les permite estar en varios lugares al mismo tiempo? ¿Y por qué todo lo que vemos a nuestro alrededor obedece obviamente a las leyes de la física clásica, cuando eso es imposible? Para responder a estas preguntas, en los últimos años los investigadores han conseguido que objetos cada vez más grandes se comporten de forma mecánica cuántica. Una consecuencia de ello es que, al pasar por una doble rendija, forman un patrón de interferencia característico de las ondas.
Hasta ahora esto se podía conseguir con moléculas formadas por unos pocos miles de átomos. Sin embargo, los físicos esperan poder observar algún día estos efectos cuánticos con objetos propiamente macroscópicos. Lukas Novotny, catedrático de Fotónica, y sus colaboradores del Departamento de Tecnología de la Información e Ingeniería Eléctrica de la ETH de Zúrich han dado un paso crucial en esa dirección. Sus resultados se han publicado recientemente en la revista científica Nature.
Nanoesfera flotante
El objeto macroscópico del laboratorio de Novotny es una diminuta esfera de cristal. Aunque sólo tiene un centenar de nanómetros de diámetro, está formado por hasta diez millones de átomos. Gracias a 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 más baja es la temperatura, menor es el movimiento térmico. "Sin embargo, para ver con claridad los efectos cuánticos, la nanoesfera debe ralentizarse aún más, hasta llegar a su estado básico de movimiento", explica Felix Tebbenjohanns, postdoctorado en el laboratorio de Novotny. Las oscilaciones de la esfera, y por tanto su energía de movimiento, se reducen hasta el punto en que la relación de incertidumbre mecánica cuántica prohíbe una mayor reducción. "Esto significa que congelamos la energía de movimiento de la esfera hasta un mínimo cercano al movimiento mecánico cuántico del punto cero", afirma Tebbenjohanns.
Medición y ralentización
Para conseguirlo, los investigadores utilizan un método bien conocido para ralentizar un columpio de un parque infantil: la cantidad justa de empuje o tirón en la dirección adecuada, dependiendo de dónde se encuentre el columpio. Con un columpio, basta con mirar bien y actuar en consecuencia. En el caso de una nanoesfera, sin embargo, hay que hacer una medición más precisa. Esta medición consiste en superponer la luz reflejada por la esfera a otro rayo láser, lo que da lugar a 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. Esta información, a su vez, se utiliza para calcular la fuerza con la que hay que empujar o tirar de la esfera para ralentizarla. La propia ralentización 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
"Es la primera vez que se utiliza este método para controlar el estado cuántico de un objeto macroscópico en el espacio libre", señala Novotny. Aunque se han obtenido resultados similares con esferas en resonadores ópticos, el método de Novotny tiene importantes ventajas: es menos susceptible a las perturbaciones y, apagando la luz láser, se puede examinar la esfera de forma completamente aislada, si es necesario.
Este examen aislado adquiere especial relevancia cuando se trata de realizar realmente experimentos de interferencia, como los observados con las 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 conseguirlo es apagar la trampa láser después de enfriar la esfera hasta su estado básico de movimiento, lo que permite que su onda cuántica se expanda libremente. Las diferentes partes de la onda pueden entonces caer a través de una doble rendija. Al igual que con las moléculas, también en este caso se espera que la superposición de las ondas de materia dé lugar a un patrón de interferencia característico.
Posibles aplicaciones en sensores
"Por ahora, sin embargo, eso es sólo una quimera", advierte Novotny. Aun así, también menciona que las nanoesferas flotantes son interesantes no sólo para la investigación básica, sino que también pueden tener aplicaciones prácticas. Hoy en día ya existen sensores que pueden medir las aceleraciones o rotaciones más pequeñas mediante la interferencia de ondas atómicas. Dado que la sensibilidad de estos sensores aumenta con el incremento de la masa del objeto de interferencia mecánica cuántica, los sensores podrían mejorar enormemente con las nanoesferas.
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