Microcavidades como plataforma de sensores

Los sensores son un pilar de la Internet de las cosas, ya que proporcionan los datos para controlar todo tipo de objetos. Aquí, la precisión es esencial, y es aquí donde las tecnologías cuánticas podrían marcar la diferencia. Investigadores de Innsbruck y Zúrich están demostrando ahora cómo las nanopartículas de los diminutos resonadores ópticos pueden pasar al régimen cuántico y utilizarse como sensores de alta precisión.

Los avances de la física cuántica ofrecen nuevas oportunidades para mejorar significativamente la precisión de los sensores y permitir así nuevas tecnologías. Un equipo dirigido por Oriol Romero-Isart, del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia Austriaca de Ciencias y del Departamento de Física Teórica de la Universidad de Innsbruck, y otro dirigido por Romain Quidant, de la ETH de Zúrich, proponen ahora un nuevo concepto de sensor cuántico de alta precisión. Los investigadores sugieren que las fluctuaciones de movimiento de una nanopartícula atrapada en un resonador óptico microscópico podrían reducirse significativamente por debajo del movimiento de punto cero, aprovechando la rápida dinámica inestable del sistema.

Partícula atrapada entre espejos

El estrujamiento mecánico cuántico reduce la incertidumbre de las fluctuaciones de movimiento por debajo del movimiento de punto cero, y se ha demostrado experimentalmente en el pasado con resonadores micromecánicos en el régimen cuántico. Los investigadores proponen ahora un enfoque novedoso, especialmente adaptado a los sistemas mecánicos levitados. "Demostramos que una cavidad óptica adecuadamente diseñada puede utilizarse para apretar rápida y fuertemente el movimiento de una nanopartícula levitada", afirma Katja Kustura, del equipo de Oriol Romero-Isart, en Innsbruck. En un resonador óptico, la luz se refleja entre espejos e interactúa con la nanopartícula levitada. Esta interacción puede dar lugar a inestabilidades dinámicas, que suelen considerarse indeseables. Los investigadores muestran ahora cómo pueden utilizarse en cambio como recurso. "En el presente trabajo, mostramos cómo, controlando adecuadamente estas inestabilidades, la dinámica inestable resultante de un oscilador mecánico dentro de una cavidad óptica conduce al estrujamiento mecánico", afirma Kustura. El nuevo protocolo es robusto en presencia de disipación, lo que lo hace especialmente factible en la optomecánica levitatoria. En el artículo, publicado en la revista Physical Review Letters, los investigadores aplican este método a una nanopartícula de sílice acoplada a una microcavidad mediante dispersión coherente. "Este ejemplo demuestra que podemos comprimir la partícula en órdenes de magnitud por debajo del movimiento de punto cero, incluso partiendo de un estado térmico inicial", se congratula Oriol Romero-Isart.

El trabajo proporciona un nuevo uso de las cavidades ópticas como exprimidores mecánicos cuánticos, y sugiere una nueva ruta viable en la optomecánica levitatoria más allá del enfriamiento del estado cuántico básico. Los microrresonadores ofrecen así una nueva e interesante plataforma para el diseño de sensores cuánticos, que podrían utilizarse, por ejemplo, en misiones por satélite, coches de autoconducción y en sismología. La investigación realizada en Innsbruck y Zúrich contó con el apoyo financiero de la Unión Europea.