Una nube de átomos ultrafríos (rojo) es utilizada para enfriar las vibraciones de una membrana (marrón, dentro del marco negro). La interacción es generada por un haz de láser y un resonador óptico (espejos azules en sandwich). Imagen: Tobias Kampschulte. Fuente: Universidad de Basilea.
Físicos de la Universidad de Basilea (Suiza) han desarrollado un nuevo método de refrigeración para sistemas cuánticos mecánicos. Usando un gas atómico ultrafrío, las vibraciones de una membrana se enfriaron a menos de 1 grado por encima del cero absoluto. Esta técnica permitiría realizar novedosos estudios de física cuántica, visibles a simple vista, y crear nuevos dispositivos de medidas de precisión, informan los investigadores en la revista Nature Nanotechnology.
Los gases atómicos ultrafríos están entre los objetos más fríos que existen. Los rayos láser se pueden utilizar para atrapar átomos dentro de una cámara de vacío y ralentizar su movimiento a paso de tortuga, alcanzando temperaturas de menos de una millonésima de grado sobre el cero absoluto -la temperatura a la que todo el movimiento se detiene.
A temperaturas tan bajas, los átomos obedecen las leyes de la física cuántica: se mueven como pequeños paquetes de ondas y pueden estar en superposición, y en varios lugares a la vez. Estas características se potencian en tecnologías como los relojes atómicos y otros dispositivos de medición de precisión.
¿Pueden estos gases ultrafríos ser utilizados también como refrigerantes, para enfriar otros objetos a temperaturas muy bajas? Esto abriría muchas posibilidades para la investigación de la física cuántica en sistemas nuevos y potencialmente más grandes. El problema es que los átomos son de tamaño microscópico e incluso las nubes más grandes producidas hasta el momento, que se componen de varios millones de átomos ultra-fríos, todavía contienen muchas menos partículas que algo tan pequeño como un grano de arena. Por tanto, la potencia de refrigeración de los átomos es limitada.
Una membrana
Un equipo de investigadores de la Universidad de Basilea, dirigido por el profesor Philipp Treutlein, ha conseguido ahora usar átomos ultra-fríos para enfriar las vibraciones de una membrana de milímetros de tamaño. La membrana, una película de nitruro de silicio de 50 nanometros de espesor, oscila arriba y abajo como un pequeño parche cuadrado.
Tales osciladores mecánicas no están nunca totalmente en reposo, sino que muestran vibraciones térmicas que dependen de su temperatura. Aunque la membrana contiene aproximadamente mil millones de veces más partículas que la nube atómica, se observa un fuerte efecto de enfriamiento, que enfría las vibraciones de la membrana a menos de 1 grado por encima del cero absoluto.
"El truco aquí es concentrar toda la potencia de refrigeración de los átomos en el modo de vibración de la membrana deseado", explica Andreas Jöckel, un miembro del equipo del proyecto, en la nota de prensa de la universidad, recogida por AlphaGalileo. La interacción entre los átomos y la membrana es generada por un rayo láser.
Como explica el físico, "la luz del láser ejerce fuerzas sobre la membrana y los átomos. La vibración de la membrana cambia la fuerza de la luz sobre los átomos y viceversa. "El láser transmite el efecto de enfriamiento a distancias de varios metros, por lo que la nube atómica no tiene que estar en contacto directo con la membrana. El acoplamiento es amplificado por un resonador óptico que consta de dos espejos, entre las que se intercala la membrana".
Los gases atómicos ultrafríos están entre los objetos más fríos que existen. Los rayos láser se pueden utilizar para atrapar átomos dentro de una cámara de vacío y ralentizar su movimiento a paso de tortuga, alcanzando temperaturas de menos de una millonésima de grado sobre el cero absoluto -la temperatura a la que todo el movimiento se detiene.
A temperaturas tan bajas, los átomos obedecen las leyes de la física cuántica: se mueven como pequeños paquetes de ondas y pueden estar en superposición, y en varios lugares a la vez. Estas características se potencian en tecnologías como los relojes atómicos y otros dispositivos de medición de precisión.
¿Pueden estos gases ultrafríos ser utilizados también como refrigerantes, para enfriar otros objetos a temperaturas muy bajas? Esto abriría muchas posibilidades para la investigación de la física cuántica en sistemas nuevos y potencialmente más grandes. El problema es que los átomos son de tamaño microscópico e incluso las nubes más grandes producidas hasta el momento, que se componen de varios millones de átomos ultra-fríos, todavía contienen muchas menos partículas que algo tan pequeño como un grano de arena. Por tanto, la potencia de refrigeración de los átomos es limitada.
Una membrana
Un equipo de investigadores de la Universidad de Basilea, dirigido por el profesor Philipp Treutlein, ha conseguido ahora usar átomos ultra-fríos para enfriar las vibraciones de una membrana de milímetros de tamaño. La membrana, una película de nitruro de silicio de 50 nanometros de espesor, oscila arriba y abajo como un pequeño parche cuadrado.
Tales osciladores mecánicas no están nunca totalmente en reposo, sino que muestran vibraciones térmicas que dependen de su temperatura. Aunque la membrana contiene aproximadamente mil millones de veces más partículas que la nube atómica, se observa un fuerte efecto de enfriamiento, que enfría las vibraciones de la membrana a menos de 1 grado por encima del cero absoluto.
"El truco aquí es concentrar toda la potencia de refrigeración de los átomos en el modo de vibración de la membrana deseado", explica Andreas Jöckel, un miembro del equipo del proyecto, en la nota de prensa de la universidad, recogida por AlphaGalileo. La interacción entre los átomos y la membrana es generada por un rayo láser.
Como explica el físico, "la luz del láser ejerce fuerzas sobre la membrana y los átomos. La vibración de la membrana cambia la fuerza de la luz sobre los átomos y viceversa. "El láser transmite el efecto de enfriamiento a distancias de varios metros, por lo que la nube atómica no tiene que estar en contacto directo con la membrana. El acoplamiento es amplificado por un resonador óptico que consta de dos espejos, entre las que se intercala la membrana".
Primer experimento de este tipo
Los sistemas que utilizan la luz para acoplar átomos ultrafríos y osciladores mecánicos ya se habían propuesto teóricamente. El experimento de la Universidad de Basilea es el primero en todo el mundo que lleva a la práctica un sistema de este tipo y lo utiliza para enfriar el oscilador. Nuevas mejoras técnicas deberían permitir que se enfriaran las vibraciones de la membrana al estado fundamental de la mecánica cuántica.
Para los investigadores, el enfriamiento de la membrana con los átomos es sólo el primer paso: "La naturaleza cuántica bien controlada de los átomos combinada con la interacción inducida por la luz está abriendo nuevas posibilidades para el control cuántico de la membrana", señala Treutlein.
Esto puede permitir experimentos de física cuántica fundamental con un sistema mecánico relativamente macroscópico, visible a simple vista. También sería posible generar lo que se conoce como estados entrelazados, entre átomos y membrana. Ello permitiría la medición de las vibraciones de la membrana con una precisión sin precedentes, que a su vez podrían permitir el desarrollo de nuevos tipos de sensores para pequeñas fuerzas y masas.
Los experimentos en la Universidad de Basilea han sido co-financiado por la Unión Europea.
Los sistemas que utilizan la luz para acoplar átomos ultrafríos y osciladores mecánicos ya se habían propuesto teóricamente. El experimento de la Universidad de Basilea es el primero en todo el mundo que lleva a la práctica un sistema de este tipo y lo utiliza para enfriar el oscilador. Nuevas mejoras técnicas deberían permitir que se enfriaran las vibraciones de la membrana al estado fundamental de la mecánica cuántica.
Para los investigadores, el enfriamiento de la membrana con los átomos es sólo el primer paso: "La naturaleza cuántica bien controlada de los átomos combinada con la interacción inducida por la luz está abriendo nuevas posibilidades para el control cuántico de la membrana", señala Treutlein.
Esto puede permitir experimentos de física cuántica fundamental con un sistema mecánico relativamente macroscópico, visible a simple vista. También sería posible generar lo que se conoce como estados entrelazados, entre átomos y membrana. Ello permitiría la medición de las vibraciones de la membrana con una precisión sin precedentes, que a su vez podrían permitir el desarrollo de nuevos tipos de sensores para pequeñas fuerzas y masas.
Los experimentos en la Universidad de Basilea han sido co-financiado por la Unión Europea.
Referencia bibliográfica:
Andreas Jöckel, Aline Faber, Tobias Kampschulte, Maria Korppi, Matthew T. Rakher, Philipp Treutlein. Sympathetic cooling of a membrane oscillator in a hybrid mechanical–atomic system. Nature Nanotechnology (2014). DOI: 10.1038/nnano.2014.278.
Andreas Jöckel, Aline Faber, Tobias Kampschulte, Maria Korppi, Matthew T. Rakher, Philipp Treutlein. Sympathetic cooling of a membrane oscillator in a hybrid mechanical–atomic system. Nature Nanotechnology (2014). DOI: 10.1038/nnano.2014.278.