Físicos, cerca de alcanzar estado cuántico básico en objeto

El universo, visto a través de la lente de la mecánica cuántica, es un espacio ruidoso en el que las partículas entran y salen constantemente. Mientras que, bajo nuestro lente, el ojo humano, la mayoría de los objetos inmóviles parecen ser eso: inmóviles y completamente en reposo.

Es muy raro que algo esté completamente quieto. Toda la materia normal del Universo está formada por partículas que zumban, vibrando a sus propias frecuencias.

En las últimas décadas, los físicos han encontrado formas de sobreenfriar los objetos para que sus átomos se encuentren casi inmóviles, o en su "estado básico de movimiento". En este estado, los físicos pueden realizar pruebas de mecánica cuántica y gravedad cuántica, sondeando la frontera con la física clásica para buscar una forma de unificar ambas.

Nueva forma de sondear el reino cuántico

Hasta la fecha, los físicos han conseguido que objetos pequeños, como nubes de millones de átomos u objetos a escala nanométrica, se encuentren en estos estados cuánticos puros.

Pero ahora, por primera vez, se ha hecho con un "objeto" masivo: los movimientos colectivos de los cuatro espejos del interferómetro de ondas gravitacionales LIGO, conocido como oscilador optomecánico, con una masa efectiva de 10 kilogramos (22 libras). El trabajo, cuyos resultados fueron publicados en Science, representa una nueva forma de sondear el reino cuántico.

"Nadie ha observado nunca cómo actúa la gravedad sobre los estados cuánticos masivos", afirma el ingeniero mecánico Vivishek Sudhir, del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), que dirigió el proyecto. "Hemos demostrado cómo preparar objetos a escala de un kilogramo en estados cuánticos. Esto abre por fin la puerta a un estudio experimental de cómo la gravedad podría afectar a los grandes objetos cuánticos, algo que hasta ahora solo se había soñado", agregó.

Enfriar el átomo aplicando la cantidad justa de fuerza

Alcanzar el estado básico cuántico de una nube de átomos no es fácil. Según reporta ScienceAlert, hay que enfriar el átomo aplicando la cantidad justa de fuerza para detener sus vibraciones; si no se enfría lo suficiente, solo se ralentiza.   

Esto se llama "enfriamiento por retroalimentación", y en la nanoescala es más sencillo de hacer, porque es más fácil aislar los grupos más pequeños de átomos y minimizar las interferencias. Sin embargo, cuanto más grande sea, más difícil será manejar esa interferencia, según el medio científico.

Observatorio de ondas Gravitatorias por Interferometría Láser (LIGO)

Para poder lograr la hazaña de alta precisión, los científicos recurrieron al Observatorio de ondas Gravitatorias por Interferometría Láser (LIGO), el cual está diseñado para detectar diminutas ondulaciones en el espacio-tiempo generadas por colisiones entre objetos masivos situados a miles de millones de años luz. 

Según el comunicado de prensa de MIT, LIGO está formado por dos interferómetros situados en distintos lugares de Estados Unidos. Cada interferómetro tiene dos largos túneles conectados en forma de L, que se extienden 4 kilómetros en cada dirección. En cada extremo de cada túnel hay un espejo de 40 kilos suspendido por finas fibras, que se balancea como un péndulo en respuesta a cualquier perturbación, como una onda gravitacional entrante. 

Un láser situado en el nexo de los túneles se divide y se envía a cada uno de ellos, y luego se refleja de vuelta a su fuente. El tiempo de los láseres de retorno indica a los científicos con precisión cuánto se ha movido cada espejo, con una exactitud de 1/10.000 del ancho de un protón.

"LIGO está diseñado para medir el movimiento conjunto de los cuatro espejos de 40 kilogramos", dijo Sudhir. "Resulta que se puede mapear matemáticamente el movimiento conjunto de estas masas, y pensar en ellas como el movimiento de un único objeto de 10 kilogramos".

Calcular la tasa de enfriamiento por retroalimentación

Midiendo con precisión el movimiento de este oscilador, el equipo esperaba calcular exactamente la tasa de enfriamiento por retroalimentación necesaria para inducir el estado básico de movimiento. No obstante, el propio acto de medir introduce un grado de aleatoriedad en la ecuación, lo que dificulta la predicción.

Para corregir esto, el equipo estudió cada fotón para estimar la actividad de las colisiones anteriores, construyendo continuamente un mapa más preciso de cómo aplicar las fuerzas correctas y lograr el enfriamiento. 

El efecto hizo que el movimiento colectivo se paralizara prácticamente, 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, según el comunicado.

A continuación, el equipo equiparó la energía restante del objeto, o el movimiento, con la temperatura, y descubrió que el objeto se encontraba a 77 nanokelvins, muy cerca de su estado básico de movimiento, que predicen que es de 10 nanokelvins.

"Preparar algo en el estado básico 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 se ha hecho antes".

FEW (MIT, Science, ScienceAlert)