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Quantum Nano Optomechanics

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Medición de fotones empujando un nanohilo

El estudio de las interacciones entre la luz y la materia puede responder a algunas de las preguntas abiertas más fundamentales de la física. Experimentos innovadores en la escala cuántica han arrojado luz sobre nuevas formas de acoplamiento que, ciertamente, van a reactivar este campo.

Tecnologías industriales

La optomecánica de cavidades es un nuevo campo fascinante que estudia la interacción entre la radiación electromagnética y el movimiento nano o micromecánico. Quienes trabajan en él, manipulan fotones con espejos y resonadores mecánicos en experimentos de sobremesa que aprovechan la presión de la radiación. Dicha presión es, básicamente, la fuerza por unidad de área que ejercen los fotones, o la luz; es la presión que se ejerce sobre cualquier superficie expuesta a radiación. Los científicos ampliaron las fronteras de este campo pionero gracias a la financiación de la Unión Europea para el proyecto «Quantum nano optomechanics» (QNAO). Demostraron la capacidad de detectar ópticamente el movimiento en nanoescala de osciladores sub-longitud de onda con sensibilidades próximas al límite cuántico estándar. Con nanorresonadores de masa ultrabaja, realizaron mediciones de fuerza con sensibilidades en el nivel de attoNewton (1x10-18 N) en un experimento a temperatura ambiente. La reacción cuántica es la analogía cuántica a la tercera ley de Newton, que afirma que para cada acción existe una reacción igual y opuesta. Los científicos observaron la reacción óptica ejercida por el haz de luz sobre el nanorresonador, indicativo de un acoplamiento intenso entre los modos de oscilación del resonador. En experimentos separados, el equipo estudió el fenómeno inverso con la realización de un sistema nanomecánico de espín híbrido. Los investigadores anexaron un qubit consistente en una única vacante de nitrógeno (un sistema a base de diamante para estudiar los fenómenos vinculados al espín) al final de un nanohilo que colgaba libremente y actuaba como resonador. Utilizando espectroscopia de espín sobre este sistema experimental totalmente nuevo, los científicos demostraron que el movimiento del nanohilo se refleja en el estado de espín. Así, iniciaron una línea nueva de investigación en la que el espín queda bloqueado automáticamente en el resonador, lo cual abre las puertas a protocolos de medición todavía más avanzados en sistemas híbridos. Los estudios con optomecánica de cavidades pueden servir para probar hipótesis fundamentales sobre las interacciones luz-materia como las teorías gravitacionales. También allanan el camino para muchas aplicaciones a corto y largo plazo, como los sensores ultrasensibles de aceleración y fuerza, osciladores de microondas, tecnologías de procesamiento óptico de la señal y fotónica de silicio. Los experimentos pioneros de QNAO han realizado una aportación valiosa a un campo importante.

Palabras clave

Fotones, nanohilo, cuántico, acoplamiento, cavidad, optomecánica, presión de radiación, nanorresonador, reacción, entrelazamiento, qubit, espectroscopia de espín

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