Considere el péndulo de un reloj de pie. Si se olvida de darle cuerda, eventualmente encontrará el péndulo en reposo, inmóvil. Sin embargo, esta simple observación solo es válida en el nivel de la física clásica: las leyes y principios que aparecenpara explicar la física de 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, establecen que nada puede estar completamente en reposo.
Por primera vez, un equipo de investigadores y colaboradores de Caltech ha encontrado una manera de observar - y controlar - este movimiento cuántico de un objeto que es lo suficientemente grande como para verlo. Sus resultados se publican en la edición en línea del 27 de agosto deel periódico ciencia .
Los investigadores han sabido durante años que en la física clásica, los objetos físicos pueden estar realmente inmóviles. Si se deja caer una pelota en un cuenco, se moverá hacia adelante y hacia atrás unas cuantas veces. Sin embargo, con el tiempo, este movimiento será superado por otras fuerzas como la gravedad y la fricción, y la bola se detendrá en el fondo del recipiente.
"En los últimos años, mi grupo y un par de otros grupos de todo el mundo han aprendido a enfriar el movimiento de un objeto pequeño a escala micrométrica para producir este estado en la parte inferior, o el estado fundamental cuántico".dice Keith Schwab, profesor de física y física aplicada de Caltech, quien dirigió el estudio. "Pero sabemos que incluso en el estado fundamental cuántico, a temperatura cero, quedan fluctuaciones de amplitud muy pequeñas, o 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 permitiría observar este ruido y luego manipularlo.
El dispositivo de escala micrométrica consiste en una placa de aluminio flexible que se asienta sobre un sustrato de silicio. La placa está acoplada a un circuito eléctrico superconductor mientras la placa vibra a una velocidad de 3,5 millones de veces por segundo. Según las leyes de la mecánica clásica, las estructuras vibratorias eventualmente se detendrán por completo si se enfrían al estado fundamental.
Pero eso no es lo que Schwab y sus colegas observaron cuando realmente enfriaron el resorte al estado fundamental en sus experimentos. En cambio, la energía residual, el ruido cuántico, permaneció.
"Esta energía es parte de la descripción cuántica de la naturaleza, simplemente no se puede sacar", dice Schwab. "Todos sabemos que la mecánica cuántica explica precisamente por qué los electrones se comportan de manera extraña. Aquí, estamos aplicando la física cuántica aalgo 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 solo uno ".
Debido a que este movimiento cuántico ruidoso siempre está presente y no se puede eliminar, establece un límite fundamental sobre la precisión con la que se puede medir 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 descubrieron que es posible reducirlo periódicamente. Los coautores Aashish Clerk de la Universidad McGill y Florian Marquardt deEl Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz propuso un método novedoso para controlar el ruido cuántico, que se esperaba que lo redujera periódicamente. Esta técnica se implementó luego en un dispositivo mecánico a escala micrométrica en el laboratorio de baja temperatura de Schwab en Caltech.
"Hay dos variables principales que describen el ruido o el movimiento", explica Schwab. Demostramos que en realidad podemos hacer que las fluctuaciones de una de las variables sean más pequeñas, a expensas de hacer que las fluctuaciones cuánticas de la otra variable sean más grandes.. Eso es lo que se llama un estado de compresión cuántica; reducimos el ruido en un lugar, pero debido a la compresión, el ruido tiene que salir a chorros en otros lugares. Pero mientras esos lugares más ruidosos no sean donde estásobtener una medida, no importa ".
La capacidad de controlar el ruido cuántico podría algún día usarse para mejorar la precisión de mediciones muy sensibles, como las obtenidas por LIGO, el Observatorio de ondas gravitacionales de interferometría láser, un proyecto dirigido por Caltech y el MIT que busca signos deondas gravitacionales, ondas en el tejido del espacio-tiempo.
"Hemos estado pensando mucho en utilizar estos métodos para detectar ondas gravitacionales de púlsares, estrellas increíblemente densas que tienen la masa de nuestro sol comprimida en un radio de 10 km y giran de 10 a 100 veces por segundo", Schwabdice. "En la década de 1970, Kip Thorne [Profesor de Física Teórica Richard P. Feynman de Caltech, Emérito] y otros escribieron artículos que decían que estos púlsares deberían emitir ondas de gravedad que son casi perfectamente periódicas, por lo que estamos pensando en cómouse estas técnicas en un objeto de escala de gramos para reducir el ruido cuántico en los detectores, aumentando así la sensibilidad para captar esas ondas de gravedad ", dice Schwab.
Para hacer eso, el dispositivo actual tendría que ser ampliado. "Nuestro trabajo apunta a detectar la mecánica cuántica a escalas cada vez mayores, y algún día, nuestra esperanza es que esto eventualmente comenzará a tocar algo tan grande comoondas gravitacionales ", dice.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Original escrito por Jessica Stoller-Conrad. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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