Congelación cuántica bidimensional
Nuevas oportunidades para el diseño de sensores ultrasensibles
Investigadores de la ETH de Zúrich y el TII de Abu Dhabi, con el apoyo de teóricos de óptica cuántica de Innsbruck (Austria), han logrado enfriar simultáneamente el movimiento de una diminuta esfera de cristal en dos dimensiones hasta el estado cuántico básico. Esto representa un paso crucial hacia el enfriamiento en 3D del estado básico de un objeto masivo y abre nuevas oportunidades para el diseño de sensores ultrasensibles.
La cámara de vacío con el montaje experimental para hacer levitar una partícula en el interior de una cavidad. La cavidad consta de dos espejos revestidos para que sean extremadamente reflectantes para la luz infrarroja. La parte cilíndrica del centro sostiene una lente en su extremo.
Johannes Piotrowski
Las nanopartículas de vidrio atrapadas por láser en vacío extremo se consideran una plataforma prometedora para explorar los límites del mundo cuántico. Desde el advenimiento de la teoría cuántica, la cuestión de a partir de qué tamaños un objeto empieza a ser descrito por las leyes de la física cuántica en lugar de por las reglas de la física clásica ha permanecido sin respuesta.
Un equipo formado por Lukas Novotny (Zúrich), Markus Aspelmeyer (Viena), Oriol Romero-Isart (Innsbruck) y Romain Quidant (Zúrich) está intentando responder precisamente a esta pregunta dentro del proyecto Q-Xtreme de ERC-Synergy. 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 cuántico básico.
Control de todas las dimensiones del movimiento
El equipo Q-Xtreme lleva mucho tiempo trabajando conjuntamente en el enfriamiento de nanopartículas en estado basal. Varios experimentos realizados en Zúrich y Viena, respaldados por cálculos teóricos del Dr. González-Ballestero y el Prof. Romero-Isart de la Universidad de Innsbruck, han conducido a las primeras demostraciones de este tipo de enfriamiento del estado basal de una nanopartícula, ya sea amortiguando el movimiento de la partícula mediante control electrónico (retroalimentación activa) o colocando la partícula entre dos espejos (enfriamiento basado en cavidades). Hasta ahora, en los experimentos sólo se había conseguido el estado de reposo en una de las tres direcciones del movimiento de la partícula, dejando "caliente" el movimiento en las otras dos direcciones.
"Lograr el enfriamiento del estado sólido en más de una dirección es clave para explorar la nueva física cuántica", subraya González-Ballestero, 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. "Pero hasta ahora este logro seguía siendo esquivo, ya que era un reto hacer que los espejos entre los que se coloca la partícula interaccionaran de forma eficiente con el movimiento a lo largo de algunas de las tres direcciones" El llamado "efecto de modo oscuro" impedía el enfriamiento hasta el estado completo de tierra.
Con distintas frecuencias hacia la meta
Ahora, los investigadores del Laboratorio de Fotónica de la ETH de Zúrich han conseguido por primera vez enfriar una nanopartícula hasta el estado basal en dos direcciones de movimiento. Una esfera de vidrio, unas mil veces más pequeña que un grano de arena, se aísla por completo de su entorno en un alto vacío y se sujeta con un rayo láser fuertemente enfocado mientras se enfría simultáneamente hasta casi el cero absoluto. Basándose en las predicciones teóricas del equipo de Innsbruck, los físicos suizos lograron sortear el problema del estado oscuro. "Para ello, diseñamos de forma diferente las frecuencias a las que la partícula oscila en las dos direcciones y ajustamos cuidadosamente la polarización de la luz láser", explica Lukas Novotny, de la ETH de Zúrich.
El trabajo, publicado en Nature Physics, demuestra que es posible alcanzar el estado de mínima energía para las tres direcciones de movimiento. También permite crear estados cuánticos frágiles en dos direcciones, que podrían utilizarse para crear giroscopios y sensores ultrasensibles.
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