Cuando la física desafía la lógica: congelar el movimiento cuántico sin enfriar la materia
Investigadores logran enfriar un modo mecánico cuántico hasta el estado fundamental con un 92 % de pureza a temperatura ambiente, sin criogenia, usando una nano partícula levitada y control óptico de alta precisión.
Fuente: ChatGPT / E. F.
El avance logrado por un equipo internacional liderado por ETH Zúrich y TU Wien está llamando la atención de la comunidad científica: enfriar un modo de movimiento cuántico hasta el estado fundamental, con una pureza del 92 %, sin necesidad de recurrir a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Se trata de un logro que rompe con décadas de suposiciones sobre los límites prácticos de la mecánica cuántica aplicada a objetos relativamente grandes, y que abre la puerta a nuevas plataformas para la física cuántica a temperatura ambiente.
Lo que han conseguido, en esencia, es aislar y "congelar" la libración —una oscilación angular— de una nanopartícula de sílice suspendida en el vacío, manteniendo el resto de la partícula a cientos de grados.
Según el propio paper, "hemos alcanzado una ocupación mínima de 0,04(1) cuantos, lo que corresponde a una pureza del estado del 92 %".
Este resultado coloca a los sistemas levitados a temperatura ambiente por delante de los mejores dispositivos opto mecánicos y electromecánicos que usan criogenia, un cambio de juego que pocos preveí
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Una partícula flotando, pero no fría
En el núcleo del experimento está una nano partícula aniso trópica formada por varias nanos esferas de sílice de unos 120 nm de diámetro atrapada por un pinza óptica en el interior de una cámara de vacío ultra alto.
El diseño asegura que el movimiento angular elegido para el enfriamiento, el denominado modo α de libración, sea especialmente sensible a la interacción con el campo óptico de una cavidad de alta reflectividad.
La clave es que este modo α se encuentra en el régimen de banda lateral resuelta, condición necesaria para enfriar hasta el estado fundamental mediante acoplamiento opto mecánico.
A esto se suma la elección precisa de la polarización del láser trampa, que maximiza la tasa de acoplamiento y reduce el calentamiento por ruido de fase del láser.
El resultado práctico: mientras la temperatura interna de la nano partícula se mantiene elevada, el movimiento angular seleccionado pierde energía hasta quedar dominado por su nivel cuántico más bajo.
Algo que hasta ahora parecía incompatible con trabajar fuera de un criostato.
Esquema del experimento con nano partícula levitada y cavidad óptica de alta finura. Fuente: Nature
Hasta la fecha, el camino tradicional para lograr alta pureza cuántica en osciladores mecánicos consistía en enfriar todo el sistema a temperaturas criogénicas.
Esto garantizaba que la ocupación de fonones fuera baja, pero implicaba costes y complejidad que limitaban la adopción tecnológica.
Los investigadores de este estudio sortearon esa limitación usando una configuración de dispersión coherente en una cavidad Fabry–Pérot, que canaliza la energía del modo α hacia el campo óptico, extrayéndola mediante procesos anti-Stokes.
La termometría de banda lateral permitió medir con precisión la ocupación fonónica sin depender de la señal de salida de la cavidad, lo que evita errores debidos al ruido de fase del láser.
En sus propias palabras, "operamos nuestro sistema libración-cavidad profundamente en el régimen de banda lateral resuelta, suprimimos activamente el ruido de fase del láser y elegimos la polarización del haz trampa para maximizar la tasa de acoplamiento optomecánico".
Este triple enfoque explica por qué han podido superar incluso los valores obtenidos con osciladores de gigahercios en entornos criogénicos.
.El enemigo oculto: el ruido de fase del láser
Un obstáculo recurrente en opto mecánica es el ruido de fase de los láseres.
En este experimento, su presencia podía transformar fluctuaciones de fase en fluctuaciones de amplitud dentro de la cavidad, reinyectando energía no deseada al modo mecánico.
Para neutralizarlo, implementaron un "noise eater" (un sistema que detecta y corrige en tiempo real las fluctuaciones de fase del láser) basado en un interferómetro Mach–Zehnder desbalanceado, que detecta el ruido y lo corrige en tiempo real mediante un modulador electro-óptico.
Al aumentar la ganancia de esta retroalimentación, la ocupación del modo α cayó de más de un cuanto a tan solo 0,04, acercándose al límite impuesto por el retroceso cuántico).
La figura de resultados muestra cómo la supresión del ruido permite posicionar la partícula en el antinodo de la cavidad sin penalizaciones térmicas, logrando la máxima tasa de enfriamiento posible en este esquema.
Una de las lecciones más sorprendentes del estudio es que no es necesario enfriar todos los grados de libertad de una partícula para observar un estado cuántico de alta pureza.
Al centrarse únicamente en la libración, los autores logran aislarla del resto de la dinámica interna, que sigue agitada por la alta temperatura.
Como resume el artículo, "la ocupación fonónica en nuestro experimento es el resultado del equilibrio entre el enfriamiento de cavidad y el calentamiento por ruido de retroceso de par de radiación".
Esto significa que el límite final no lo marca la temperatura del entorno, sino los mecanismos de retroalimentación cuánticos intrínsecos al propio acoplamiento óptico.
Esta idea de enfriar "selectivamente" podría aplicarse a otros modos mecánicos o incluso a sistemas híbridos, acoplando nano partículas levitadas a iones atrapados o cúbits superconductores.
Al disponer de un modo mecánico a temperatura ambiente con pureza del 92 %, se abre un abanico de posibilidades experimentales.
Se podrían generar estados no clásicos mediante compresión cuántica, estudiar dinámicas inestables controladas por cavidades, o explorar fenómenos puramente rotacionales como los "tennis-racket flips" persistentes, un giro inesperado que se produce cuando un objeto asimétrico rota repetidamente alrededor de su eje inestable, como ocurre al lanzar una raqueta de tenis.
Además, la alta frecuencia de resonancia del modo α del orden del megahercio podría permitir su acoplamiento resonante con otros sistemas cuánticos, sin la necesidad de aislar todo el montaje en criostatos costosos.
En palabras de los autores, este tipo de plataforma coloca a los "libradores" levitados a temperatura ambiente en la vanguardia de la opto mecánica cuántica experimental.
Referencias
- Lorenzo Dania, Oscar Schmitt Kremer, Johannes Piotrowski, Davide Candoli, Jayadev Vijayan,
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