Desde hace décadas que la mecánica cuántica ha estado poniendo de cabeza a los científicos ante el comportamiento inusual de partículas subatómicas. Como humanos somos incapaces de visualizar de primera mano el mundo microscópico que habita el Universo y con esto, descifrar los secretos de su funcionamiento más esencial. Y aunque cada día surgen nuevas tecnologías que nos ayudan a mirar en los rincones más microscópicos, los investigadores buscan llevar a objetos cada vez más grandes a comportamientos cuánticos para comprender lo que sucede. Recientemente pudieron llevar a un cuerpo de tamaño humano hasta su estado fundamental de movimiento mediante el enfriamiento, y ahora han logrado levitar una esfera de vidrio, llevándola hasta su estado cuántico más esencial.

comportamiento cuántico

Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich han atrapado una pequeña esfera de vidrio, haciéndola levitar y ralentizando su movimiento al estado cuántico más bajo. Aunque la esfera tiene tan sólo 10 nanómetros de diámetro y para nosotros esto puede resultar sumamente pequeño, está compuesta por al menos 10 millones de átomos. Hablando en términos de mecánica cuántica, este tamaño ya es bastante grande. El experimento podría ayudarnos a entender mejor el comportamiento cuántico que rige el Universo.

Más allá del enfriamiento térmico 

Los científicos pusieron a flotar la esfera de vidrio en una trampa óptica dentro de un recipiente al vacío, enfriado a -269°C y con un rayo láser enfocado con alta precisión. Cuanto menor es la temperatura, mejor se puede observar el comportamiento cuántico de las partículas, ya que el movimiento térmico de los átomos se reduce. “Sin embargo, para ver claramente los efectos cuánticos, la nanoesfera debe ralentizarse aún más, hasta su estado fundamental de movimiento”, explica Felix Tebbenjohanns, líder de la investigación. “Las oscilaciones de la esfera, y por lo tanto su energía de movimiento, se reducen hasta el punto en que la relación de incertidumbre de la mecánica cuántica prohíbe una reducción adicional”.

efera vidrio estado cuántico
ETH Zurich

El método del columpio 

Para ralentizar aún más el movimiento de la esfera, utilizaron un método muy conocido por los niños cuando intentan ralentizar el movimiento de un columpio. Se trata de empujar y tirar en la dirección correcta dependiendo de en qué punto se encuentre el columpio. Claro que aplicarlo en una nanoesfera de vidrio tiene sus desafíos. Para lograrlo superpusieron la luz reflejada por la esfera sobre otro rayo láser, lo que desencadena un patrón de interferencia. A partir de este último, es posible deducir dónde se encuentra la esfera dentro de la trampa óptica. Luego se utiliza esta información para aplicar la fuerza necesaria mediante electrodos para contrarrestar el movimiento y así, alcanzar el estado cuántico más bajo de la esfera.

esfera cuántica

Así es posible observar el comportamiento cuántico de las partículas que la componen para intentar descifrar el comportamiento del Universo. Por ahora, el experimento no tiene más implicaciones de investigación, aunque Tebbenjohanns asegura que también pueden sacarse ventajas prácticas de él.

Referencias:
Tebbenjohanns, F.  Mattana, M.L. Rossi. (2021). Quantum control of a nanoparticle optically levitated in cryogenic free space. Nature 595, 378–382 (2021). DOI

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