Investigadores del Instituto Tecnológico de California (Caltech) han propuesto un nuevo paradigma que permitiría a los científicos observar el comportamiento cuántico en pequeños sistemas mecánicos.
Sus ideas, descritas en el ejemplar on-line anticipado de Proceedings of the National Academy of Sciences, ofrece un nuevo modo de abordar uno de los problemas más fascinantes de la mecánica cuántica: la naturaleza de la superposición cuántica y el entrelazamiento en sistemas cada vez más grandes y complejos.
Una superposición cuántica es un estado en el cual una partícula, como un fotón o un átomo, existe simultáneamente en dos posiciones. El entrelazamiento, al que Albert Einstein llamó “acción fantasmal a distancia”, permite a dos partículas compartir información incluso si están físicamente separadas.
Un reto clave al observar el comportamiento cuántico en un sistema mecánico cuántico es eliminar las interacciones entre el sistema y su ruidoso entorno — es decir, el material de alrededor que da soporte al sistema o algún otro contacto externo. Las vibraciones térmicas aleatorias de los alrededores del sistema, por ejemplo, pueden transferirse al objeto mecánico y destruir sus frágiles propiedades cuánticas. Para abordar este problema, un número de grupos de todo el mundo han empezado a usar configuraciones criogénicas en la que el entorno inmediato se enfría a temperaturas muy bajas para reducir la magnitud de estas vibraciones aleatorias.
El equipo de Caltech sugiere una aproximación fundamentalmente distinta: usar las fuerzas creadas por intensos rayos de luz para hacer “levitar” todo el objeto mecánico, liberándolo de este modo de cualquier contacto externo y soporte del material. Esta aproximación, demuestran los investigadores, puede reducir drásticamente el ruido, hasta el punto en el que diversas manifestaciones de comportamiento cuántico deberían ser observables incluso cuando el entorno esté a temperatura ambiente.
Entre los científicos implicados en el trabajo están Darrick Chang, becario de posdoctorado en el Instituto de Información Cuántica de Caltech; Oskar Painter, profesor asociado de física aplicada; y H. Jeff Kimble, Profesor William L. Valentine de Caltech y profesor de física.
La idea de usar fuerzas ópticas para atrapar o hacer levitar a pequeñas partículas está en realidad bien establecida. Fue llevada a cabo por primera vez por Arthur Ashkin de los Laboratorios Bell en las décadas de 1970 y 1980, y desde entonces ha formado parte de la base de avances científicos tales como el desarrollo de “pinzas ópticas” — usadas frecuentemente para controlar el movimiento de pequeños objetos biológicos — y el uso de lásers para enfriar átomos y atraparlos en el espacio. Estas técnicas proporcionan una caja de herramientas extremadamente versátil para manipular átomos, y han sido empleadas para demostrar una variedad de fenómenos cuánticos a nivel atómico.
En el nuevo trabajo, Chang y sus colegas demuestran teóricamente que puede lograrse un éxito similar cuando se reemplaza un átomo individual por un sistema mecánico mucho más masivo – pero aún a nanoescala. Un esquema relacionado ha sido presentado simultáneamente por un grupo del Instituto Max Planck para Óptica Cuántica en Garching, Alemania [http://arxiv.org/abs/0909.1469].
El sistema propuesto por el equipo de Caltech consiste en una pequeña esfera hecha de un material altamente transparente como la sílice fundida. Cuando la esfera entra en contacto con un rayo láser, las fuerza ópticas empujan de forma natural a la esfera hacia el punto donde la intensida de la luz es mayor, atrapando a la esfera en ese punto. La esfera tiene un tamaño típico de 100 nm de diámetro, o aproximadamente una milésima del grosor de un cabello humano. Debido a su reducido tamaño, las restantes interacciones de la esfera con el entorno – cualquiera que no implique contacto directo con otro material, debido a que la esfera está levitando — son los suficientemente débiles para que emerja con facilidad el comportamiento cuántico.
Para que aparezca tal comportamiento, no obstante, la esfera debe también estar colocada dentro de una cavidad óptica, la cual está formada por dos espejos situados a cada lado de la esfera atrapada. La luz que rebota adelante y atrás entre los espejos en ambos sentidos del movimiento de la esfera se usó para manipular el movimiento a nivel mecánico-cuántico.
Los investigadores describen cómo puede usarse esta interacción para eliminar energía de, o enfríar, el movimiento mecánico hasta que alcanza su estado base cuántico – la menor energía permisible por la mecánica cuántica. Un límite fundamental para este proceso viene fijado por la fuerza realtiva del enfriamiento óptico y el índice al cual el entorno tiende a calentar (retornar energía a) el movimiento, llevándolo de nuevo a la temperatura ambiente.
En principio, el movimiento de la esfera bien aislada puede ser enfriado empezando en la temperatura ambiente bajando hasta una temperatura final que es 10 millones de veces más baja; en ese estado súper-enfriado, el centro de masas de la esfera se mueve sólo la cantidad mínima posible fijada por las fluctuaciones cuánticas intrínsecas.
Los investigadores también proponen un esquema para observar una característica cuántica conocida como entrelazamiento, la cual yace en el corazón de la mecánica cuántica. Dos sistemas situados lejos entre sí que están entrelazados muestran correlaciones entre ellos que son más fuertes de lo que se permite de forma clásica. En ciertas circunstancias, el entrelazamiento puede ser un recursos muy valioso; forma la base de propuestas para realizar una metrología mejorada y ordenadores (cuánticos) más potentes.
El esquema propuesto consiste en enviar un par de rayos de luz inicialmente entrelazados — la producción de los cuales se logró por primera vez por el grupo de Kimble en Caltech en 1992 — en dos cavidades separadas, cada una conteniendo una esfera levitante. A través de un proceso conocido como transferencia de estado cuántico, todas las propiedades de la luz – en particular, el entrelazamiento y sus correlaciones asociadas — pueden ser mapeadas en el movimiento de las dos esferas.
Aunque los tamaños de estos objetos nanomecánicos aún están muy lejos de los asociados con la experiencia cotidiana, los investigadores de Caltech creen que su propuesta presenta una apasionante oportunidad para realizar y controlar fenómenos cuánticos a unas escalas sin precedentes — en este caso, para objetos que contienen aproximadamente 10 millones de átomos.
Otros investigadores implicados en este trabajo son el estudiante graduado Dalziel Wilson y los becarios de posdoctorado Cindy Regal y Scott Papp de Caltech; Jun Ye, miembro del JILA, un instituto conjunto de la Universidad de Colorado en Boulder y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST); y Peter Zoller, profesor de la Universidad de Innsbruck. El trabajo fue iniciado mientras que Ye y Zoller estaban de visita en Caltech como Becarios Distinguidos Gordon y Betty Moore.
El trabajo del artículo en PNAS, “Cavity optomechanics using an optically levitated nanosphere”, fue patrocinado por la Fundación Gordon y Betty Moore, y la Fundación Nacional de Ciencia, la Oficina de Investigación del Ejército, Northrop Grumman Space Technology, los Fondos Científicos Austriacos, y los Proyectos de la Unión Europea.
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