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Figura 1 | Un enfoque basado en la medición para enfriar nanopartículas. Magrini et al.1 y Tebbenjohanns et al.2 han utilizado un sistema llamado control cuántico basado en mediciones para amortiguar el movimiento de una nanopartícula esférica. La nanoesfera es capturada por un haz de luz láser estrechamente enfocado conocido como trampa óptica. La luz dispersada de la partícula es reflejada por un sistema de elementos ópticos a un detector, produciendo una señal óptica que es procesada por un filtro para determinar la posición de la nanoesfera. Esta medición de posición se utiliza para generar una señal que controla el campo eléctrico generado por un par de electrodos alrededor de la nanoesfera, amortiguando (enfriando) así el movimiento oscilatorio de la nanoesfera.

El principio de incertidumbre de Heisenberg establece que ciertos pares incompatibles de propiedades de una partícula no se pueden determinar simultáneamente con precisión ilimitada. A menudo se enseña usando un experimento mental para el caso que involucra posición y momento: si la posición de un átomo se mide con luz, la acción posterior de los fotones dispersos en el átomo invariablemente perturba el momento del átomo. La acción posterior se puede reducir mediante el uso de menos energéticos o menos fotones, pero esto también reduce la precisión de la medición.

Más específicamente, el principio de incertidumbre de Heisenberg estipula que el producto de las incertidumbres en las mediciones de posición y momento debe ser mayor o igual a la mitad de la constante de Planck, ħ. Pero esta constante es tan pequeña (1,05 × 10–34 joule seconds) que las compensaciones entre la retro-acción y la imprecisión sólo se pueden observar en experimentos cuidadosamente controlados, típicamente utilizando objetos en la escala de tamaño de los átomos.

Ahora, Magrini et al.1 y Tebbenjohanns et al.2 reportan estudios independientes en los que fueron capaces de rastrear la posición no de un solo átomo, sino de una nanoesfera que contiene miles de millones de átomos, con una precisión cercana al límite de Heisenberg (el producto mínimo posible de las incertidumbres de las cantidades medidas). Esto les permitió utilizar una técnica llamada control cuántico basado en mediciones para enfriar la nanoesfera desde estados térmicos altamente excitados hasta energías promedio que están cerca del estado de energía más bajo de la partícula (el estado fundamental cuántico).

Los resultados de los dos estudios son un gran avance en la optomecánica, el campo de investigación que tiene como objetivo llevar pequeños osciladores mecánicos a los regímenes cuánticos a través de su interacción con la luz. En el subcampo de la optomecánica cuántica levitada, el oscilador es una partícula de sílice del tamaño de un virus (100-200 nanómetros de diámetro), y está atrapado y controlado por la luz. Esto minimiza tanto el calentamiento no deseado de la partícula como la decoherencia, es decir, la pérdida del comportamiento cuántico de la partícula a través de interacciones con el medio ambiente. La decoherencia ocurre típicamente mucho más rápido en experimentos con osciladores que están directamente atados a su entorno que en sistemas levitados.

Después de una década de esfuerzo por parte de varios grupos en todo el mundo3, el enfriamiento inducido por la luz de una nanopartícula levitada al estado fundamental cuántico finalmente se informó4 en 2020. Pero ese experimento se basó en el modo cuántico de rebotar la luz entre dos espejos altamente reflectantes, una configuración conocida como cavidad óptica. Este enfoque viene con limitaciones: solo las partículas con ciertos rangos de frecuencia de oscilación se pueden enfriar en cada configuración. Además, es difícil controlar el funcionamiento de una cavidad óptica lo suficientemente bien como para sostener una partícula de forma estable y luego enfriarla.

Magrini et al. y Tebbenjohanns et al. utilizó un enfoque completamente diferente, prescindiendo de la cavidad óptica, y evadiendo así los problemas asociados. Por lo tanto, su técnica podría ofrecer una forma más robusta y sencilla de preparar estados cuánticos de objetos mesoscópicos (aquellos entre aproximadamente 100 nanómetros y un micrómetro de tamaño).

El enfoque de los autores (Fig. 1) es una extensión de un método denominado enfriamiento por retroalimentación, en el que la medición continua de la posición de un oscilador permite aplicar una fuerza (la retroalimentación) que contrarresta y amortigua el movimiento del oscilador. Aunque el enfriamiento por retroalimentación ha sido ampliamente investigado, durante algunos años hubo un considerable escepticismo en cuanto a si este enfoque por sí solo, sin enfriamiento de cavidad, podría alcanzar el hito de enfriar una partícula levitada a una energía promedio que corresponde a menos de un solo cuanto de energía por encima del movimiento fundamental de punto cero (el movimiento residual que un oscilador conserva en el estado fundamental cuántico). Los estudios actuales demuestran que este hito puede alcanzarse utilizando este método.

Varios avances han allanado el camino hacia este logro. Una técnica de retroalimentación conocida como amortiguación fría, que aplica una fuerza que es proporcional a la velocidad de la partícula, fue en los últimos años5,6 se ha demostrado que produce un enfriamiento altamente eficiente. Es importante destacar que las nanoesferas están cargadas naturalmente, lo que significa que la fuerza de retroalimentación se puede aplicar utilizando un campo eléctrico7, en lugar de luz , evitando así la retro-acción adicional de fotones que se ejerce sobre las nanoesferas. Las instalaciones experimentales de los dos nuevos estudios también operan a niveles de ultra alto vacío (alrededor de 10–12 de la presión de aire normal), eliminando en gran medida el calentamiento y la decoherencia asociados con las colisiones de la nanoesfera con las moléculas de gas circundantes. Y ambos estudios se beneficiaron de mejoras en la eficiencia con la que se recogen fotones dispersos para medir la posición de la nanoesfera8.

Además, los dos experimentos utilizaron una técnica para medir la energía de una partícula9 que no solo es independiente de la calibración, sino que también implica una característica de las partículas que se acercan al régimen cuántico: los espectros de la luz dispersada por tales partículas tienen dos picos, uno de los cuales corresponde a la partícula que absorbe un cuanto de energía y el otro a la pérdida de un cuanto. La relación precisa de las áreas de los picos corresponde a la relación de n a n + 1, donde n es el número de cuantos de energía de la nanoesfera (n es 0 en el estado fundamental cuántico, por ejemplo). Una versión de esta técnica, a menudo llamada asimetría de banda lateral, se utiliza en optomecánica de cavidad óptica4, pero su aplicabilidad a experimentos que utilizan luz dispersa para mediciones no se reconoció hasta 2019 (ref. 9)9.

También hay diferencias entre los dos experimentos. Magrini et al. enfrió su partícula de la temperatura ambiente, que corresponde a un estado en el que n está en las decenas de millones, hasta una energía promedio medida de n = 0.56 , lo que significa que, aunque la partícula no está exactamente en el estado fundamental cuántico, tiene más de un 50% de probabilidad de estar en ese estado, y una probabilidad de caída brusca de estar en estados cuánticos sucesivamente más altos (con n > 1). Para lograr este enfriamiento, utilizaron un algoritmo estadístico llamado filtro de Kalman.10 optimizar las fuerzas de retroalimentación aplicadas en tiempo real a la nanoesfera en respuesta a una medición continua. Un filtro de Kalman es especialmente adecuado para controlar sistemas cuánticos que tienen estados típicos de osciladores mecánicos11.

Por el contrario, Tebbenjohanns et al. utilizaron un sistema de control sencillo que se basa en la naturaleza armónica (similar al péndulo) del movimiento de la nanoesfera para predecir la velocidad de la nanoesfera desde su posición medida y, por lo tanto, para impulsar la fuerza de retroalimentación. También sumergieron la nanoesfera atrapada en un criostato que redujo la temperatura inicial de aproximadamente 300 a 60 kelvin. Este enfriamiento criogénico cumplirá una función crucial en futuros experimentos: garantizará que la temperatura interna de la nanoesfera sea baja, reduciendo así la emisión de radiación térmica de la nanoesfera. Dicha radiación es una fuente importante de decoherencia, y potencialmente puede producirse desde el interior relativamente caliente de una nanoesfera, incluso cuando el movimiento del centro de masa del objeto está en el estado fundamental cuántico. Tebbenjohanns y colegas enfriaron nanoesferas a una energía promedio correspondiente a n = 0.65.

Se informaron técnicas de control basadas en la medición similares a las utilizadas en los dos estudios actuales12 el mes pasado para amortiguar fuertemente las oscilaciones de un espejo atado de 10 kilogramos en la cavidad óptica de 4 kilómetros de largo del Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO). Este logro aumentó la formidable precisión del experimento LIGO, que puede medir desplazamientos de espejo equivalentes a una pequeña fracción de un núcleo atómico. El espejo se enfrió a una energía promedio correspondiente a un valor n de un poco más de 10. El gran objetivo ahora es demostrar que los osciladores fríos , ya sean levitados o atados , exhiben un comportamiento cuántico en experimentos sin cavidades.

La nueva generación de experimentos de sobremesa ópticamente levitados1,2,4 son relativamente simples, más baratos que LIGO y abren posibilidades de investigación no disponibles utilizando osciladores atados. Las fuerzas ópticas que sostienen las nanopartículas son totalmente controlables, lo que permite que los objetos atrapados sean guiados en el espacio o completamente liberados. Debido a que están altamente desacopladas de las fuentes de decoherencia, las nanopartículas podrían conservar su coherencia cuántica durante el tiempo suficiente para exhibir los efectos de la interferencia de ondas cuánticas. También podrían exhibir un efecto cuántico llamado entrelazamiento, posiblemente en experimentos con múltiples nanoesferas. Finalmente, podrían ser utilizados como detectores de fuerza ultrasensibles para aplicaciones prácticas como la acelerometría, o para probar física fundamental como la gravedad cuántica.

Naturaleza 595, 357-358 (2021)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-01872-5

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Fuente

 

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