Las nanopartículas «levitantes» podrían empujar los límites del entrelazamiento cuántico

Se puede hacer que las partículas de vidrio suspendidas en rayos láser interactúen (vista del artista).Crédito: Equinox Graphics Ltd.

Los físicos suspendieron diminutas esferas de vidrio en el vacío y las hicieron interactuar entre sí a corta distancia. Las nanopartículas «levitantes» ahora se han manipulado con suficiente precisión para abrir nuevas vías para explorar la enigmática zona de penumbra entre el mundo cotidiano y la física cuántica contraria a la intuición que gobierna los objetos a escala atómica.

«Este es sin duda un paso importante que abre nuevas oportunidades», dice Romain Quidant, un físico que realiza experimentos similares en el Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH) en Zúrich. Los resultados se publicaron el 25 de agosto en La ciencia1. Las partículas que levitan podrían algún día servir como plataforma para la computación cuántica o allanar el camino para dispositivos de medición extremadamente sensibles.

levitación láser

Durante la última década, los físicos han dominado varias técnicas para manipular objetos del tamaño de partículas de virus, unos pocos cientos de nanómetros de diámetro, en el vacío, incluido el uso de la ligera presión ejercida por la luz láser.

En 2020, Uroš Delić de la Universidad de Viena y sus colaboradores sorprendieron a la comunidad física al reducir la velocidad de los centros de masa de las partículas a lo que los físicos llaman el estado fundamental cuántico, como si las partículas estuvieran lo más frías posible.2. Alcanzar el estado fundamental es el primer paso para acceder y manipular el comportamiento cuántico, que normalmente solo se logra a escalas subatómicas y requiere que los objetos se enfríen hasta cerca del cero absoluto. Aunque sus centros de masa estaban en el estado fundamental, las partículas continuaron estando calientes, vibrando térmicamente y girando.

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La física Lia Li recuerda el entusiasmo de la comunidad cuando el físico de la Universidad de Viena Markus Aspelmeyer, autor principal de este artículo, informó sobre el estado fundamental cuántico en una conferencia y luego publicó una versión preliminar en el servidor arXiv. “La gente estaba frenética”, dice Li, quien es director gerente de la firma de ingeniería Zero Point Motion en Bristol, Reino Unido. Un puñado de laboratorios se apresuró a replicar los resultados, y algunos lo lograron.

Algunos físicos, incluido Giorgio Gratta de la Universidad de Stanford en California, están trabajando con partículas ligeramente más grandes, de un micrómetro de diámetro o más, que tienen suficiente masa para ejercer una atracción gravitatoria apreciable. «La idea principal es buscar nuevas interacciones a escala microscópica, o desviaciones de la gravedad newtoniana», dice.

Dos por dos

En el último artículo, Delić, Aspelmeyer y sus colaboradores dieron el primer paso para hacer malabarismos con múltiples partículas en levitación. Hicieron rebotar un láser en un panel de cristal líquido dentro de una cámara de vacío, que dividió el rayo en dos. Luego, inyectaron esferas de vidrio de 200 nanómetros de ancho en la cámara usando un nebulizador ultrasónico, similar a los dispositivos que se usan para tratar el asma, hasta que se capturó una nanoesfera en el punto focal de cada uno de los dos rayos láser.

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Esta técnica de «levitación óptica» funciona porque las rápidas oscilaciones de los campos eléctricos del láser inducen la aparición de cargas eléctricas con la misma rapidez en los extremos opuestos de cada nanoesfera, como los polos de una barra magnética. Esta polarización crea una fuerza que empuja las partículas hacia las regiones donde la luz es más intensa, en este caso, hacia el punto focal del rayo láser.

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A medida que la polarización oscila rápidamente de un lado a otro, actúa como la corriente eléctrica dentro de una antena que emite ondas electromagnéticas, explica el coautor Benjamin Stickler, físico teórico de la Universidad de Duisburg-Essen en Duisburg, Alemania. «Como tiene cargas aceleradas, emite radiación». Al ajustar los paneles de cristal líquido, los investigadores pudieron acercar los dos puntos focales. A distancias de unos pocos micrómetros, las partículas comenzaron a sentir las ondas de las demás y los investigadores pudieron hacerlas vibrar al unísono, como masas conectadas por una serie de resortes.

La configuración del láser también permitió al equipo desactivar la fuerza ejercida por una partícula sobre la otra, sin desactivar la fuerza opuesta de la segunda partícula. Esto produjo leyes «artificiales» de la física que parecían violar la tercera ley de Isaac Newton de que para cada acción hay una reacción igual y opuesta.

Salto cuántico

Stickler dice que la próxima tarea será usar luz láser para enfriar las dos partículas a su estado fundamental cuántico. En este punto, podría ser posible poner las partículas en un estado de entrelazamiento cuántico, lo que significa que algunas de sus propiedades medibles, en este caso, sus posiciones, están más fuertemente correlacionadas de lo que permitirían las leyes del disparate. . física cuántica.

El entrelazamiento es una característica del comportamiento cuántico, que generalmente se observa solo a escalas subatómicas. Los físicos han debatido durante mucho tiempo si los objetos macroscópicos se rigen por su propio conjunto de leyes o si los efectos cuánticos son simplemente demasiado difíciles de observar a estas escalas. Una serie de esfuerzos experimentales están investigando esta cuestión al demostrar el comportamiento cuántico a escalas cada vez mayores. El año pasado, dos equipos pusieron de forma independiente pares de tambores a microescala en un estado enredado — la primera vez que esto se había hecho para objetos macroscópicos.

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Pero los investigadores dicen que tales objetos «restringidos» presentan limitaciones: están conectados físicamente a un dispositivo, lo que dificulta evitar que se interrumpan los estados cuánticos delicados. Con esto en mente, Peter Zoller, físico teórico de la Universidad de Innsbruck en Austria, y otros consideraron por primera vez el uso de nanopartículas levitantes para experimentos cuánticos en 2010.35. «Incluso podría pensar en una nanopartícula como una pequeña computadora que puede controlar con luz láser y moverse», dice Zoller.

Otro beneficio de la técnica de levitación es que debería funcionar igual de bien para atrapar más de dos partículas, agrega Stickler. Zoller está de acuerdo. «Es inmediatamente escalable a un número mucho mayor», dice.

Cuando se aplica a átomos o iones individuales, la levitación y el enfriamiento del láser han sido «como una salsa secreta en la computación cuántica», dice Zoller. Lo mismo podría ocurrir con las nanopartículas.

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