Refrigeración con luz
Los investigadores de ETH han enfriado una nanopartícula a una temperatura récord baja, gracias a un sofisticado sistema experimental que utiliza luz láser dispersa para el enfriamiento.
Utilizando este sofisticado sistema experimental, los investigadores de la ETH lograron enfriar las nanopartículas hasta unas pocas milikevinas.
ETH Zürich / S. Busschaert
Hasta ahora, nadie ha enfriado nunca una nanopartícula a temperaturas tan bajas en una jaula de fotones: Dominik Windey y René Reimann, estudiante de doctorado y postdoctorado en el grupo dirigido por Lukas Novotny, profesor de fotónica, han conseguido enfriar una perla de vidrio de 140 nanómetros hasta unas pocas milésimas de grado por encima del cero absoluto.
Los investigadores publicaron recientemente detalles de su trabajo en la revista Physical Review Letters. Su gran avance se produjo en la forma de un sofisticado montaje experimental con pinzas ópticas, en el que se puede hacer levitar una nanopartícula con la ayuda de un rayo láser. El grupo ya ha utilizado las mismas pinzas ópticas en trabajos anteriores, en los que hicieron girar una nanopartícula alrededor de su propio eje a una velocidad extremadamente alta.
Una fina línea
Los científicos han complementado las pinzas ópticas con una jaula de fotones dispuesta perpendicularmente a ella. Esta jaula consta de dos espejos altamente reflectantes, cuya posición los investigadores pueden ajustar en unas pocas milésimas de milímetro.
Este ajuste preciso es crucial, ya que la partícula dispersa parte de la luz láser y los científicos pueden usar la distancia entre los espejos para controlar qué tipo de luz se dispersa. "Podemos ajustar los espejos para que dispersen más luz con una frecuencia ligeramente mayor que la luz láser primaria", explica Windey. "Como la luz de alta frecuencia también tiene más energía, los fotones absorben energía de la nanopartícula durante la dispersión." En otras palabras, si el espejo se ajusta correctamente, la perla de vidrio pierde energía continuamente y su amplitud de oscilación se hace cada vez más pequeña: se enfría.
"La característica clave de nuestro montaje experimental es que la oscilación de la partícula no sólo se reduce en una dirección, sino en las tres dimensiones", dice Windey. "Esto no es posible con otros montajes experimentales encontrados en la literatura relacionados con las nanopartículas en las jaulas de fotones." El hecho de que el enfriamiento tiene lugar en tres dimensiones fue confirmado por cálculos teóricos realizados por colegas de la Universidad de Innsbruck, con quienes los investigadores de ETH publicaron su trabajo.
Acercarse a un límite mágico
Con su último experimento, los investigadores se están acercando a un límite mágico: la temperatura a la que las nanopartículas pasan a lo que se conoce como el estado cuántico del suelo. Si esto se alcanzara, permitiría por primera vez realizar experimentos cuánticos con objetos relativamente grandes; por ejemplo, sería posible investigar cómo se comporta una perla de vidrio si se superponen dos estados cuánticos diferentes.
Sin embargo, se necesitará mucho trabajo para llegar a ese punto. "Nuestras temperaturas siguen siendo demasiado altas por un factor de más de 100", dice Windey. "Tenemos que ralentizar la cuenta mucho más si queremos alcanzar el estado de tierra cuántica." Esto debería ser posible ahora utilizando un sistema aún más sofisticado en el que los investigadores aplican una segunda jaula de fotones - esencialmente implementando un sistema de enfriamiento de dos etapas.
Fuente inesperada de perturbación
Por supuesto, esto supondrá un esfuerzo considerablemente mayor. "El sistema es extremadamente sensible", explica Windey. Incluso la más mínima perturbación desplaza la distancia entre los espejos. Como resultado, la partícula ya no se enfría, sino que se calienta, y ya no se puede sujetar con las pinzas ópticas, es decir, volver al punto de partida. "Desde el principio, tuvimos que enfrentarnos a vibraciones inesperadas", dice Windey. "Entonces descubrimos que, debido al tráfico, el edificio de nuestro laboratorio en el Hönggerberg se desplaza 4 micrómetros de ida y vuelta durante el día. Esto significaba que teníamos que realizar nuestras mediciones por la noche".
Aunque la gran sensibilidad del equipo de medición sigue dificultando la vida de los investigadores, podría haber una aplicación práctica de este factor. "El sistema podría utilizarse para construir un acelerómetro extremadamente sensible", dice Windey. "Y una vez que tengamos la partícula en estado cuántico, podremos determinar las desviaciones con mayor precisión."
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