Logran por primera vez llevar a su estado cuántico un objeto de diez kilos

Para el ojo humano, la mayoría de los objetos estacionarios parecen ser solo eso: quietos y completamente en reposo.

Sin embargo, si nos dieran una lente cuántica, que nos permitiera ver objetos a la escala de átomos individuales, lo que era una manzana sentada ociosamente en nuestro escritorio aparecería como una colección de partículas vibrantes, muy en movimiento.

En las últimas décadas, los físicos han encontrado formas de superenfriar objetos para que sus átomos estén casi parados o en su “estado fundamental de movimiento“.

Hasta la fecha, los físicos han luchado contra objetos pequeños, como nubes de millones de átomos u objetos a escala de nanogramos, en estados cuánticos tan puros.

Ahora, por primera vez, científicos del MIT y otros lugares han enfriado un objeto grande a escala humana hasta que se acerque a su estado fundamental de movimiento.

El objeto no es tangible en el sentido de estar situado en un lugar, sino que es el movimiento combinado de cuatro objetos separados, cada uno de los cuales pesa unos 40 kilogramos.

El “objeto” que los investigadores enfriaron tiene una masa estimada de aproximadamente 10 kilogramos y comprende aproximadamente 1x¹⁰²⁶, o casi 1 octillón, de átomos.

Los investigadores aprovecharon la capacidad del Observatorio de ondas gravitacionales del interfrómetro láser (LIGO) para medir el movimiento de las masas con extrema precisión y enfriar el movimiento colectivo de las masas a 77 nanokelvins, apenas por encima del estado fundamental predicho del objeto de 10 nanokelvins.

Sus resultados, que aparecen en Science, representan el objeto más grande que se ha enfriado hasta acercarse a su estado fundamental de movimiento.

Los científicos dicen que ahora tienen la oportunidad de observar el efecto de la gravedad en un objeto cuántico masivo.

“Nadie ha observado nunca cómo actúa la gravedad en estados cuánticos masivos“, dice Vivishek Sudhir, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT, quien dirigió el proyecto.

“Hemos demostrado cómo preparar objetos a escala de kilogramos en estados cuánticos.

Esto finalmente abre la puerta a un estudio experimental de cómo la gravedad podría afectar a los grandes objetos cuánticos, algo con lo que hasta ahora sólo se había soñado“.

Los autores del estudio son miembros del Laboratorio LIGO e incluyen al autor principal y estudiante de posgrado Chris Whittle, el postdoctorado Evan Hall, la científica investigadora Sheila Dwyer, Decana de la Facultad de Ciencias y la profesora de Astrofísica de Curtis y Kathleen Marble, Nergis Mavalvala, y profesora asistente de ingeniería mecánica Vivishek Sudhir.

Todos los objetos incorporan algún tipo de movimiento como resultado de las muchas interacciones que tienen los átomos, entre sí y de influencias externas.

Todo este movimiento aleatorio se refleja en la temperatura de un objeto.

Cuando un objeto se enfría cerca de la temperatura cero, todavía tiene un movimiento cuántico residual, un estado llamado “estado fundamental del movimiento“.

Para detener un objeto en su camino, se puede ejercer sobre él una fuerza igual y opuesta. (Piense en detener una pelota de béisbol en pleno vuelo con la fuerza de su guante).

Si los científicos pueden medir con precisión la magnitud y la dirección de los movimientos de un átomo, pueden aplicar fuerzas contrarias para reducir su temperatura, una técnica conocida como enfriamiento por retroalimentación.

Los físicos han aplicado el enfriamiento por retroalimentación a través de varios medios, incluida la luz láser, para llevar átomos individuales y objetos ultraligeros a sus estados básicos cuánticos, y han intentado sobreenfriar objetos progresivamente más grandes para estudiar los efectos cuánticos en sistemas más grandes y tradicionalmente clásicos.

“El hecho de que algo tenga temperatura es un reflejo de la idea de que interactúa con las cosas que lo rodean”, dice Sudhir.

“Y es más difícil aislar los objetos más grandes de todas las cosas que suceden a su alrededor“.

Para enfriar los átomos de un objeto grande a un estado cercano al cero, primero se tendría que medir su movimiento con extrema precisión, para saber el grado de retroceso requerido para detener este movimiento.

Pocos instrumentos en el mundo pueden alcanzar tal precisión. LIGO, da la casualidad, puede.

El observatorio de detección de ondas gravitacionales comprende interferómetros gemelos en ubicaciones separadas de EE. UU.

Cada interferómetro tiene dos túneles largos conectados en forma de L y que se extienden 4 kilómetros en cualquier dirección.

En cada extremo de cada túnel hay un espejo de 40 kilogramos suspendido por fibras delgadas, que se balancea como un péndulo en respuesta a cualquier perturbación, como una onda gravitacional entrante.

Un láser en el nexo de los túneles se divide y se envía por cada túnel, luego se refleja de regreso a su fuente.

La sincronización de los láseres de retorno les dice a los científicos con precisión cuánto se movió cada espejo, con una precisión de 1/10,000 del ancho de un protón.

Sudhir y sus colegas se preguntaron si podrían usar la precisión de medición de movimiento de LIGO para medir primero el movimiento de objetos grandes a escala humana, luego aplicar una fuerza contraria, opuesta a la que miden, para llevar los objetos a su estado fundamental.

El objeto que pretendían enfriar no es un espejo individual, sino el movimiento combinado de los cuatro espejos de LIGO.

“LIGO está diseñado para medir el movimiento conjunto de los cuatro espejos de 40 kilogramos“, explica Sudhir.

“Resulta que se puede mapear matemáticamente el movimiento conjunto de estas masas y pensar en ellas como el movimiento de un solo objeto de 10 kilogramos“.

Al medir el movimiento de los átomos y otros efectos cuánticos, dice Sudhir, el mismo acto de medir puede patear al azar el espejo y ponerlo en movimiento, un efecto cuántico llamado “retroacción de medición“.

A medida que los fotones individuales de un láser rebotan en un espejo para recopilar información sobre su movimiento, el impulso del fotón retrocede en el espejo.

Sudhir y sus colegas se dieron cuenta de que si los espejos se miden continuamente, como en LIGO, el retroceso aleatorio de los fotones pasados ​​se puede observar en la información transportada por los fotones posteriores.

Armados con un registro completo de perturbaciones tanto cuánticas como clásicas en cada espejo, los investigadores aplicaron una fuerza igual y opuesta con electroimanes adheridos a la parte posterior de cada espejo.

El efecto hizo que el movimiento colectivo casi se detuviera, dejando a los espejos con tan poca energía que no se movieron más de 10^-20 metros, menos de una milésima parte del tamaño de un protón.

Luego, el equipo comparó la energía restante del objeto, o el movimiento, con la temperatura, y encontró que el objeto estaba sentado a 77 nanokelvins, muy cerca de su estado fundamental de movimiento, que predicen que será de 10 nanokelvins.

“Esto es comparable a la temperatura que los físicos atómicos enfrían sus átomos para llegar a su estado fundamental, y eso es con una pequeña nube de tal vez un millón de átomos, que pesa picogramos“, dice Sudhir.

“Por lo tanto, es notable que se pueda enfriar algo mucho más pesado, a la misma temperatura”.

“Preparar algo en el estado fundamental es a menudo el primer paso para ponerlo en estados cuánticos emocionantes o exóticos“, dice Whittle.

“Así que este trabajo es emocionante porque podría permitirnos estudiar algunos de estos otros estados, a una escala masiva que nunca antes se había hecho“.

Fuente: Phys.org