Esquema del dispositivo creado en Caltech. Imagen: Chan Lei/Keith Schwab. Fuente: Caltech.
Considere el péndulo de un reloj de pie. Si se olvida de darle cuerda, es muy probable que encuentre el péndulo en reposo, sin moverse. Sin embargo, esta simple observación es válida sólo en el nivel de la física clásica: las leyes y principios que parecen explicar la física de los objetos relativamente grandes a escala humana. Sin embargo, la mecánica cuántica, las reglas físicas subyacentes que gobiernan el comportamiento fundamental de la materia y la luz a escala atómica, afirman que nada puede estar completamente en reposo.
Por primera vez, un equipo de investigadores y colaboradores de Caltech (Instituto de Tecnología de California, EE.UU.) ha encontrado una manera de observar y controlar este movimiento cuántico en un objeto que es lo suficientemente grande para ser visto. Sus resultados se publican en la revista Science.
Los investigadores saben desde hace años que en la física clásica, los objetos físicos pueden de hecho estar inmóviles. Si se suelta una bola en un tazón, rodará hacia atrás y hacia adelante varias veces. Con el tiempo, sin embargo, este movimiento será superado por otras fuerzas (como la gravedad y la fricción), y la bola llegará a pararse en la parte inferior de la taza.
"En el último par de años, mi grupo y un par de otros grupos de todo el mundo hemos aprendido a enfriar el movimiento de un objeto pequeño (escala de micras) para producir ese estado de la parte baja, o estado fundamental cuántico", dice en la nota de prensa de Caltech Keith Schwab, profesor de física aplicada, que dirigió el estudio. "Pero sabemos que, incluso en el estado fundamental cuántico, al cero de temperatura, sigue habiendo muy pequeñas fluctuaciones de amplitud -ruido-."
Debido a que este movimiento cuántico, o ruido, es teóricamente una parte intrínseca del movimiento de todos los objetos, Schwab y sus colegas diseñaron un dispositivo que les permitiera observar este ruido y manipularlo.
Dispositivo
El dispositivo a escala de micras consiste en una placa de aluminio flexible situada sobre un sustrato de silicio. La placa está acoplada a un circuito eléctrico superconductor, con la placa vibrando a una velocidad de 3,5 millones de veces por segundo. De acuerdo con las leyes de la mecánica clásica, las estructuras que vibran, con el tiempo llegarán a un descanso completo si se enfrían hasta el estado fundamental.
Pero eso no es lo que Schwab y sus colegas observaron al enfriar el sistema hasta el estado fundamental en sus experimentos. En lugar de eso, se mantenía la energía residual -ruido cuántico-.
"Esta energía es parte de la descripción cuántica de la naturaleza, no puedes eliminarla", dice Schwab. "Todos sabemos que la mecánica cuántica explica precisamente por qué los electrones se comportan extrañamente. Aquí, estamos aplicando la física cuántica a algo que es relativamente grande, un dispositivo que se puede ver con un microscopio óptico, y estamos viendo los efectos cuánticos en un billón de átomos en lugar de uno solo".
Debido a que este ruidoso movimiento cuántico está siempre presente y no se puede quitar, fija un límite fundamental sobre cómo de precisa puede ser una medida de la posición de un objeto.
Pero ese límite, descubrieron Schwab y sus colegas, no es insuperable. Los investigadores y colaboradores desarrollaron una técnica para manipular el ruido cuántico inherente y encontraron que es posible reducirlo periódicamente.
Por primera vez, un equipo de investigadores y colaboradores de Caltech (Instituto de Tecnología de California, EE.UU.) ha encontrado una manera de observar y controlar este movimiento cuántico en un objeto que es lo suficientemente grande para ser visto. Sus resultados se publican en la revista Science.
Los investigadores saben desde hace años que en la física clásica, los objetos físicos pueden de hecho estar inmóviles. Si se suelta una bola en un tazón, rodará hacia atrás y hacia adelante varias veces. Con el tiempo, sin embargo, este movimiento será superado por otras fuerzas (como la gravedad y la fricción), y la bola llegará a pararse en la parte inferior de la taza.
"En el último par de años, mi grupo y un par de otros grupos de todo el mundo hemos aprendido a enfriar el movimiento de un objeto pequeño (escala de micras) para producir ese estado de la parte baja, o estado fundamental cuántico", dice en la nota de prensa de Caltech Keith Schwab, profesor de física aplicada, que dirigió el estudio. "Pero sabemos que, incluso en el estado fundamental cuántico, al cero de temperatura, sigue habiendo muy pequeñas fluctuaciones de amplitud -ruido-."
Debido a que este movimiento cuántico, o ruido, es teóricamente una parte intrínseca del movimiento de todos los objetos, Schwab y sus colegas diseñaron un dispositivo que les permitiera observar este ruido y manipularlo.
Dispositivo
El dispositivo a escala de micras consiste en una placa de aluminio flexible situada sobre un sustrato de silicio. La placa está acoplada a un circuito eléctrico superconductor, con la placa vibrando a una velocidad de 3,5 millones de veces por segundo. De acuerdo con las leyes de la mecánica clásica, las estructuras que vibran, con el tiempo llegarán a un descanso completo si se enfrían hasta el estado fundamental.
Pero eso no es lo que Schwab y sus colegas observaron al enfriar el sistema hasta el estado fundamental en sus experimentos. En lugar de eso, se mantenía la energía residual -ruido cuántico-.
"Esta energía es parte de la descripción cuántica de la naturaleza, no puedes eliminarla", dice Schwab. "Todos sabemos que la mecánica cuántica explica precisamente por qué los electrones se comportan extrañamente. Aquí, estamos aplicando la física cuántica a algo que es relativamente grande, un dispositivo que se puede ver con un microscopio óptico, y estamos viendo los efectos cuánticos en un billón de átomos en lugar de uno solo".
Debido a que este ruidoso movimiento cuántico está siempre presente y no se puede quitar, fija un límite fundamental sobre cómo de precisa puede ser una medida de la posición de un objeto.
Pero ese límite, descubrieron Schwab y sus colegas, no es insuperable. Los investigadores y colaboradores desarrollaron una técnica para manipular el ruido cuántico inherente y encontraron que es posible reducirlo periódicamente.
Reducir el ruido
Los coautores Aashish Clerk, de la Universidad McGill (Montreal, Canadá) y Florian Marquardt, del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz (Alemania) propusieron un nuevo método para controlar el ruido cuántico, que se esperaba que lo redujera periódicamente. A continuación, se aplicó la técnica en un dispositivo mecánico a escala de micras en el laboratorio de baja temperatura de Schwab, en Caltech.
"Hay dos variables principales que describen el ruido o el movimiento", explica Schwab. "Hemos demostrado que en realidad podemos reducir las fluctuaciones de una de las variables a expensas de que las fluctuaciones cuánticas de la otra variable sean más grandes. Es lo que se llama un estado cuántico comprimido: Comprimimos el ruido en un lugar, pero debido a la compresión, el ruido tiene que salir a chorro en otros lugares. Pero mientras esos lugares más ruidosos no estén donde se está haciendo la medición, no importa".
La capacidad de controlar el ruido cuántico podría ser usada algún día para mejorar la precisión de mediciones muy sensibles, como las obtenidos por LIGO, el Observatorio de ondas Gravitacionales por Interferometría de Láser, un proyecto liderado por Caltech y MIT (Boston, EE.UU.) que busca señales de ondas gravitacionales, ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo.
"Hemos estado pensando mucho sobre el uso de estos métodos para detectar ondas gravitacionales de pulsares -estrellas increíblemente densas que tienen la masa de nuestro Sol comprimida en un radio de 10 kilómetros y giran entre 10 y 100 veces por segundo", dice Schwab. "En la década de 1970, Kip Thorne [profesor emérito de Física Teórica en Caltech] y otros científicos escribieron que estos púlsares deben emitir ondas de gravedad que son casi perfectamente periódicas, así que estamos pensando mucho acerca de cómo utilizar estas técnicas en un objeto del tamaño de un gramo para reducir el ruido cuántico en los detectores, lo que aumenta la sensibilidad para captar esas ondas de gravedad", dice Schwab.
Para hacer eso, el dispositivo actual tendría que ser ampliado. "Nuestro trabajo tiene como objetivo detectar la mecánica cuántica a escalas cada vez más grandes, y un día, nuestra esperanza es que esto finalmente empiece a tocar algo tan grande como las ondas gravitacionales", dice.
Los coautores Aashish Clerk, de la Universidad McGill (Montreal, Canadá) y Florian Marquardt, del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz (Alemania) propusieron un nuevo método para controlar el ruido cuántico, que se esperaba que lo redujera periódicamente. A continuación, se aplicó la técnica en un dispositivo mecánico a escala de micras en el laboratorio de baja temperatura de Schwab, en Caltech.
"Hay dos variables principales que describen el ruido o el movimiento", explica Schwab. "Hemos demostrado que en realidad podemos reducir las fluctuaciones de una de las variables a expensas de que las fluctuaciones cuánticas de la otra variable sean más grandes. Es lo que se llama un estado cuántico comprimido: Comprimimos el ruido en un lugar, pero debido a la compresión, el ruido tiene que salir a chorro en otros lugares. Pero mientras esos lugares más ruidosos no estén donde se está haciendo la medición, no importa".
La capacidad de controlar el ruido cuántico podría ser usada algún día para mejorar la precisión de mediciones muy sensibles, como las obtenidos por LIGO, el Observatorio de ondas Gravitacionales por Interferometría de Láser, un proyecto liderado por Caltech y MIT (Boston, EE.UU.) que busca señales de ondas gravitacionales, ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo.
"Hemos estado pensando mucho sobre el uso de estos métodos para detectar ondas gravitacionales de pulsares -estrellas increíblemente densas que tienen la masa de nuestro Sol comprimida en un radio de 10 kilómetros y giran entre 10 y 100 veces por segundo", dice Schwab. "En la década de 1970, Kip Thorne [profesor emérito de Física Teórica en Caltech] y otros científicos escribieron que estos púlsares deben emitir ondas de gravedad que son casi perfectamente periódicas, así que estamos pensando mucho acerca de cómo utilizar estas técnicas en un objeto del tamaño de un gramo para reducir el ruido cuántico en los detectores, lo que aumenta la sensibilidad para captar esas ondas de gravedad", dice Schwab.
Para hacer eso, el dispositivo actual tendría que ser ampliado. "Nuestro trabajo tiene como objetivo detectar la mecánica cuántica a escalas cada vez más grandes, y un día, nuestra esperanza es que esto finalmente empiece a tocar algo tan grande como las ondas gravitacionales", dice.
Referencia bibliográfica:
E. E. Wollman, C. U. Lei, A. J. Weinstein, J. Suh, A. Kronwald, F. Marquardt, A. A. Clerk, K. C. Schwab: Quantum squeezing of motion in a mechanical resonator. Science (2015). DOI: 10.1126/science.aac5138.
E. E. Wollman, C. U. Lei, A. J. Weinstein, J. Suh, A. Kronwald, F. Marquardt, A. A. Clerk, K. C. Schwab: Quantum squeezing of motion in a mechanical resonator. Science (2015). DOI: 10.1126/science.aac5138.