23.11.2022 - Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Un paquete doble de nanopartículas refrigeradas

Esto abre varias posibilidades para estudiar los fenómenos cuánticos de dichas partículas o para construir sensores altamente sensibles

Investigadores de la ETH han desarrollado una técnica para enfriar varias nanopartículas simultáneamente a temperaturas de apenas unas milésimas de grado por encima del cero absoluto. Este nuevo método puede utilizarse para estudiar los efectos cuánticos de varias nanopartículas y para construir sensores muy sensibles.

En los últimos cuarenta años, los físicos han aprendido a enfriar objetos cada vez más grandes hasta temperaturas cercanas al cero absoluto: átomos, moléculas y, más recientemente, también nanopartículas formadas por miles de millones de átomos. Mientras que los átomos se pueden enfriar sólo con luz láser, hasta ahora las nanopartículas debían tener carga eléctrica y debían ser manipuladas con campos eléctricos para un enfriamiento óptimo. Un equipo de investigadores de la ETH dirigido por el profesor Lukas Novotny del Departamento de Tecnología de la Información e Ingeniería Eléctrica ha desarrollado ahora una técnica para atrapar y enfriar varias nanopartículas independientemente de su carga eléctrica hasta unos pocos milikelvin. Esto abre varias posibilidades para estudiar los fenómenos cuánticos de dichas partículas o para construir sensores altamente sensibles.

Enfriar partículas neutras

"En nuestro grupo de investigación hemos perfeccionado el enfriamiento de nanopartículas con carga eléctrica individual durante los últimos diez años", afirma Jayadev Vijayan, postdoc en el laboratorio de Novotny y autor principal del artículo publicado recientemente en la revista científica Nature Nanotechnology. "Con el nuevo método, que también funciona para objetos eléctricamente neutros, ahora también podemos atrapar varias partículas simultáneamente por primera vez, lo que abre perspectivas totalmente nuevas para la investigación".

En sus experimentos, los investigadores atraparon una diminuta esfera de cristal de algo menos de 200 nanómetros utilizando un rayo láser fuertemente enfocado, también conocido como pinza óptica, dentro de un aparato de vacío. Dentro de la pinza óptica, la esfera oscila de un lado a otro debido a su energía de movimiento. Cuanto mayor sea la temperatura de la partícula, mayor será su energía de movimiento y, por tanto, la amplitud de la oscilación. La intensidad y la dirección con la que oscila la esfera en el interior de la pinza óptica en un momento dado pueden medirse mediante un detector de luz, que capta la luz láser dispersada por la esfera.

Desaceleración por agitación

Novotny y sus colaboradores utilizan esa información para ralentizar la nanopartícula y, por tanto, enfriarla. Esto se consigue agitando la pinza óptica exactamente en el sentido contrario con respecto a la oscilación de la esfera mediante un deflector controlado electrónicamente que cambia ligeramente la dirección del rayo láser y, por tanto, la posición de la pinza. Cuando la esfera se mueve hacia la izquierda, la pinza se desplaza rápidamente hacia la derecha para contrarrestar el movimiento de la esfera; cuando se mueve hacia la derecha, el deflector desplaza la pinza hacia la izquierda. De este modo, su amplitud de oscilación, y por tanto su temperatura efectiva, se reduce poco a poco, hasta llegar a unas milésimas de grado por encima del cero absoluto de -273,15 grados Celsius.

Para enfriar dos nanopartículas al mismo tiempo, los investigadores utilizan un truco. Las pinzas ópticas en las que atrapan las esferas se ajustan de forma que las frecuencias de oscilación de las partículas sean ligeramente diferentes. De ese modo, los movimientos de las dos esferas pueden distinguirse utilizando el mismo detector de luz, y las estrategias de enfriamiento pueden aplicarse por separado a las dos pinzas.

Escala de varias nanopartículas

"El enfriamiento simultáneo puede ampliarse directamente a varias nanopartículas", explica Vijayan: "Como tenemos un control total sobre las posiciones de las partículas, podemos ajustar arbitrariamente las interacciones entre ellas; de ese modo, en el futuro podremos estudiar los efectos cuánticos de varias partículas, como el entrelazamiento". En un estado de entrelazamiento, una medición en una partícula influye instantáneamente en el estado cuántico de la otra sin que haya contacto directo entre las dos partículas. Hasta ahora, estos estados se han realizado principalmente con fotones o átomos individuales. Vijayan espera poder crear algún día estados entrelazados también con nanopartículas mucho más grandes.

El hecho de que las nanopartículas puedan ser eléctricamente neutras tiene otras ventajas, por ejemplo, para el desarrollo de sensores extremadamente sensibles. Cuando se miden fuerzas gravitatorias muy débiles entre objetos o se busca la hipotética materia oscura, se desea eliminar otras fuerzas en la medida de lo posible, y la mayoría de las veces se trata de fuerzas electrostáticas entre partículas cargadas. El método desarrollado por los investigadores de la ETH promete nuevos conocimientos también en estos campos.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

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