Explorando la frontera entre la física clásica y la física cuántica

Desde el advenimiento de la teoría cuántica, la cuestión de a partir de qué tamaños un objeto empieza a ser descrito mejor por las leyes de la física cuántica que por las reglas de la física clásica ha permanecido sin respuesta.

Se considera que unas nanopartículas de vidrio retenidas mediante rayo láser en el vacío son una plataforma prometedora para explorar esa frontera entre la física clásica y la física cuántica.

Un equipo integrado, entre otros, por Oriol Romero-Isart, de la Universidad de Innsbruck en Austria, y Lukas Novotny, del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich, está intentando resolver precisamente esta duda dentro del proyecto Q-Xtreme. Un paso crucial en el camino hacia este objetivo es reducir al máximo la energía almacenada en el movimiento de la nanopartícula, es decir, enfriar la partícula hasta el llamado estado fundamental cuántico.

El equipo de Q-Xtreme lleva mucho tiempo trabajando en el enfriamiento de nanopartículas hasta el estado fundamental. Varios experimentos han conducido a las primeras demostraciones de dicho enfriamiento de una nanopartícula hasta el estado fundamental, ya sea amortiguando el movimiento de la partícula mediante control electrónico o colocando la partícula entre dos espejos.

Hasta ahora, en los experimentos solo se había conseguido alcanzar el estado fundamental en una de las tres dimensiones, dejando libre el movimiento en las otras dos dimensiones.

Ahora, se ha conseguido por vez primera enfriar una nanopartícula hasta ese estado fundamental en dos dimensiones. Una esfera de vidrio, unas mil veces más pequeña que un grano de arena, es aislada completamente de su entorno en un vacío riguroso y ceñida por un rayo láser fuertemente enfocado mientras que al mismo tiempo es enfriada hasta casi el cero absoluto, que es la temperatura más baja posible que permiten las leyes de la física (273,15 grados centígrados bajo cero.

La cámara de vacío con el montaje experimental para hacer levitar una partícula dentro de una cavidad. La cavidad consta de dos espejos revestidos para que sean extremadamente reflectantes para la luz infrarroja. La parte cilíndrica del centro contiene una lente en su extremo para enfocar el láser infrarrojo hasta un punto en el que la partícula queda atrapada. (Foto: Johannes Piotrowski)

Este experimento sugiere que es posible alcanzar el estado de mínima energía para las tres dimensiones. También, que es viable crear estados cuánticos frágiles en dos dimensiones, que podrían utilizarse para fabricar giroscopios ultrasensibles y sensores con una enorme capacidad de detección.

El estudio se titula “Simultaneous ground-state cooling of two mechanical modes of a levitated nanoparticle”. Y se ha publicado en la revista académica Nature Physics. (Fuente: NCYT de Amazings)