Skip to main content

Quantum Optomechanics with a levitating nanoparticle

Article Category

Article available in the folowing languages:

Un método verdaderamente mágico permite levitar una nanopartícula que se aproxima a su estado cuántico fundamental

En los últimos decenios, los osciladores nanomecánicos cuánticos, versiones nanométricas de una cuerda de guitarra, están expandiendo los límites de la experimentación cuántica. Ahora, la levitación de una nanopartícula con fuerzas fotónicas mínimas podría proporcionar nuevos conocimientos sobre el mundo cuántico.

Investigación fundamental
Salud

A lo largo de la historia, se han empleado osciladores mecánicos para realizar mediciones muy precisas. Algunos de los mayores avances en la precisión de relojes de péndulo y cronógrafos se basan en la mecánica clásica relativamente simple del movimiento de péndulos y resortes, con un extremo fijado a un objeto inmóvil y el otro a uno móvil. Ahora, el proyecto QnanoMECA, financiado con fondos europeos a través de una subvención del Consejo Europeo de Investigación (CEI), ha desatado el poder los osciladores nanomecánicos cuánticos para investigar el complejo mundo cuántico con un objeto móvil libre: una nanopartícula. Levitándola mediante la fuerza de la luz, el equipo ha abierto una nueva ventana para detectar fuerzas ultrapequeñas y llevar grandes objetos (en términos cuánticos) al régimen cuántico.

Nanopartículas en el foco (láser)

Romain Quidant, beneficiario de la subvención del CEI e investigador principal, explica: «Las nanopartículas pueden ser levitadas y atrapadas usando las minúsculas fuerzas que cada fotón de un rayo láser ejerce sobre la materia en su camino. Esta trampa óptica, conocida como pinzas ópticas, favoreció la concesión del https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.4085 (Premio Nobel de Física 2018 a Arthur Ashkin)». Una de las principales ventajas de un oscilador mecánico libre, las pinzas ópticas, es su aislamiento extremo del entorno circundante. Esto permite la resonancia mecánica a frecuencias muy bien definidas, como las notas muy puras en una cuerda de guitarra. A su vez, esta pureza de resonancia única abre la puerta a la posibilidad de llevar la nanopartícula al régimen cuántico al reducir su energía mecánica («enfriando» el oscilador) a menos de un quanta mecánico (el estado cuántico fundamental). La resonancia pura sin parangón convierte además a la nanopartícula oscilante en un sensor altamente sensible de su entorno. Quidant señala: «Sabemos que los componentes básicos de la materia, como los átomos y los iones, son cuánticos y obedecen a las leyes de la mecánica cuántica. Esto no está tan claro en los conjuntos grandes y densos de átomos como la nanopartícula levitada. Nuestra plataforma nos permite examinar este régimen desconocido al observar efectos físicos muy débiles que antes eran imposibles de medir directamente».

Aprovechamiento del potencial desproporcionado de levitar objetos minúsculos

Durante el último lustro, QnanoMECA ha desarrollado diferentes métodos experimentales para levitar y enfriar nanopartículas y llevarlas al régimen cuántico. En un trabajo pionero en colaboración con Lukas Novotny, beneficiario de una subvención del CIE del proyecto QMES, el equipo ha reducido la energía mecánica del oscilador desde aproximadamente unos cincuenta millones de fonones a unas decenas de fonones y planea alcanzar el régimen cuántico de fonones individuales antes de que el proyecto finalice en 2020. Es más, la investigación de QnanoMECA ha logrado importantes avances científicos y tecnológicos hacia la detección de fuerzas ultradébiles que pueden contribuir, en los años venideros, al desarrollo de una nueva generación de sensores mecánicos de alta gama para la navegación y la sismología. La optomecánica de levitación es un campo relativamente nuevo pero en crecimiento, que actualmente cuenta con más de treinta grupos de investigación en todo el mundo. Quidant comenta: «El proyecto nos ha posicionado entre los líderes mundiales en optomecánica de levitación. Hay muchas preguntas sin responder y teorías sin probar. Nuestro gran entusiasmo proviene de la posibilidad de que nuestro trabajo ayude a responder a algunas de estas fronteras del conocimiento».

Palabras clave

QnanoMECA, cuántica, nanopartícula, fotón, luz, levitación, oscilador, nanomecánica, resonador, láser, pinzas ópticas, energía mecánica, fonón, trampa óptica, fuerza débil, optomecánica de levitación, sílice

Descubra otros artículos del mismo campo de aplicación