Las nanopartículas «levitantes» podrían empujar los límites del entrelazamiento cuántico

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Los físicos han suspendido pequeñas esferas de vidrio en el vacío y las han hecho interactuar entre sí a corta distancia. Las nanopartículas «levitantes» ahora han sido manipuladas con suficiente precisión para abrir nuevas formas de sondear la enigmática zona crepuscular entre el mundo cotidiano y la física cuántica contraintuitiva que gobierna los objetos a escala atómica.

«Este es sin duda un hito importante que abre nuevas oportunidades», dice Romain Quidant, un físico que realiza experimentos similares en el Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH) en Zurich. Los resultados se publicaron el 25 de agosto en Science. Las partículas levitantes podrían algún día actuar como una plataforma para la computación cuántica o allanar el camino para dispositivos de medición exquisitamente sensibles.

Levitación láser

Durante la última década, los físicos han dominado varias técnicas para manipular objetos del tamaño de partículas de virus, de unos pocos cientos de nanómetros de diámetro, en el vacío, en particular utilizando la suave presión ejercida por la luz láser.

En 2020, Uroš Delić de la Universidad de Viena y sus colaboradores sorprendieron a la comunidad física cuando ralentizaron los centros de masa de las partículas a lo que los físicos llaman el estado fundamental cuántico, como si las partículas fueran tan frías como pudieran llegar a ser. Alcanzar el estado fundamental es el primer paso para acceder y manipular el comportamiento cuántico, que normalmente se obtiene solo a escalas subatómicas, y requiere que los objetos se enfríen hasta cerca del cero absoluto. Aunque sus centros de masa estaban en el estado fundamental, las partículas continuaron siendo cálidas, vibrando térmicamente y girando sobre sí mismas.

La física Lia Li recuerda la emoción de la comunidad cuando el físico de la Universidad de Viena Markus Aspelmeyer, autor principal de ese artículo, informó sobre el estado fundamental cuántico en una conferencia y posteriormente publicó una preimpresión en el servidor arXiv. «La gente estaba frenética», dice Li, quien es director ejecutivo de la firma de ingeniería Zero Point Motion en Bristol, Reino Unido. Un puñado de laboratorios se apresuraron a replicar los resultados, y algunos tuvieron éxito.

Algunos físicos, incluido Giorgio Gratta de la Universidad de Stanford en California, trabajan con partículas ligeramente más grandes, de un micrómetro de ancho o más, que tienen suficiente masa para ejercer una atracción gravitacional apreciable. «La idea principal es buscar nuevas interacciones a microescala, o desviaciones de la gravedad newtoniana», dice.

Dos por dos

En el último artículo, Delić, Aspelmeyer y sus colaboradores dieron el primer paso hacia el malabarismo de múltiples partículas levitadas. Rebotaron un láser en un panel de cristal líquido dentro de una cámara de vacío, que dividió el haz en dos. A continuación, inyectaron esferas de vidrio de 200 nanómetros de ancho en la cámara utilizando un nebulizador ultrasónico, similar a los dispositivos utilizados para tratar el asma, hasta que una nanoesfera quedó atrapada en el punto focal de cada uno de los dos rayos láser.

Esta técnica de «levitación óptica» funciona porque las rápidas oscilaciones de los campos eléctricos del láser inducen que las cargas eléctricas aparezcan igualmente rápidamente en los extremos opuestos de cada nanoesfera, como los polos de un imán de barra. Esta polarización crea una fuerza que empuja las partículas hacia las regiones donde la luz es más intensa, en este caso, hacia el punto focal del rayo láser.

A medida que la polarización cambia rápidamente hacia adelante y hacia atrás, actúa como la corriente eléctrica dentro de una antena que emite ondas electromagnéticas, explica el coautor Benjamin Stickler, físico teórico de la Universidad de Duisburg-Essen en Duisburg, Alemania. «Como tienes cargas aceleradas, esto emite radiación». Al ajustar los paneles de cristal líquido, los investigadores pudieron acercar los dos puntos focales. A distancias de unos pocos micrómetros, las partículas comenzaron a sentir las ondas de los demás y los investigadores pudieron hacerlas vibrar al unísono, como masas conectadas por una serie de resortes.

El ajuste del láser también permitió al equipo apagar la fuerza que una partícula ejercía sobre la otra, sin apagar la fuerza opuesta de la segunda partícula. Esto produjo leyes «artificiales» de la física que parecían violar la tercera ley de Isaac Newton: que para cada acción, hay una reacción igual y opuesta.

Salto cuántico

Stickler dice que la próxima tarea será usar la luz láser para enfriar ambas partículas a su estado fundamental cuántico. En ese punto, podría ser posible poner las partículas en un estado de entrelazamiento cuántico, lo que significa que algunas de sus propiedades medibles, en este caso, sus posiciones, están más fuertemente correlacionadas de lo que permitirían las leyes de la física clásica no cuántica.

El entrelazamiento es un sello distintivo del comportamiento cuántico, que generalmente se observa solo a escalas subatómicas. Los físicos han debatido durante mucho tiempo si los objetos macroscópicos se rigen por su propio conjunto de leyes, o si los efectos cuánticos son demasiado difíciles de observar a esas escalas. Una serie de esfuerzos experimentales están investigando esta cuestión demostrando el comportamiento cuántico a escalas cada vez más grandes. El año pasado, dos equipos colocaron de forma independiente pares de tambores a escala micrométrica en un estado entrelazado, la primera vez que esto se había hecho para objetos macroscópicos.

Pero los investigadores dicen que tales objetos «sujetos» plantean limitaciones: están conectados físicamente a un dispositivo, lo que hace que sea difícil evitar que se interrumpan los estados cuánticos delicados. Con esto en mente, Peter Zoller, físico teórico de la Universidad de Innsbruck en Austria, y otros imaginaron por primera vez el uso de nanopartículas levitadas para experimentos cuánticos en 2010. «Incluso podría pensar que una nanopartícula es una pequeña computadora que puede controlar con luz láser y moverse», dice Zoller.

Otra ventaja de la técnica de levitación es que debería funcionar igual de bien para atrapar más de dos partículas, agrega Stickler. Zoller está de acuerdo. «Es inmediatamente escalable a un número mucho mayor», dice.

Cuando se aplica a átomos o iones individuales, la levitación y el enfriamiento por láser han sido «como una salsa secreta en la computación cuántica», dice Zoller. Lo mismo podría suceder con las nanopartículas.

Nature

Paco Gil
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