Incluso objetos grandes con varios cientos de millones de átomos pueden exhibir comportamiento mecánico cuántico, sin refrigeración y a temperatura ambiente, como han demostrado investigadores de la ETH de Zúrich. Esto ofrece un gran potencial para nuevas tecnologías.
En resumen
- Para muchas aplicaciones futuras de la tecnología cuántica, no sólo los átomos individuales sino también partículas mucho más grandes deben ser capaces de ser controladas mecánicamente cuánticas.
- Los investigadores del ETH han conseguido estabilizar un objeto relativamente grande hasta tal punto que se mueve casi exclusivamente de manera física cuántica.
- La investigación tiene el potencial de beneficiar el desarrollo futuro de sensores cuánticos sensibles, por ejemplo para sistemas de navegación o aplicaciones en medicina.
Tres nanoesferas de vidrio se adhieren entre sí. Forman un conjunto con forma de torre, similar a cuando se apilan tres bolas de helado, solo que mucho más pequeño. El diámetro del nanoconjunto es diez veces menor que el de un cabello humano. Con la ayuda de un dispositivo óptico y rayos láser, investigadores de la ETH de Zúrich han logrado mantener estos objetos prácticamente inmóviles en levitación. Esto es crucial para el futuro desarrollo de sensores cuánticos, que, junto con los ordenadores cuánticos, constituyen las aplicaciones más prometedoras de la investigación cuántica.
Como parte de su experimento de levitación, los investigadores, dirigidos por el profesor adjunto de fotónica Martin Frimmer, lograron eliminar la fuerza gravitacional que actuaba sobre las esferas de vidrio. Sin embargo, el nanoobjeto alargado seguía temblando, de forma similar a como se mueve la aguja de una brújula al fijar su posición. En el caso del nanocúmulo, el movimiento de temblor era muy rápido pero débil: el objeto realizaba alrededor de un millón de desviaciones por segundo, cada una de tan solo unas milésimas de grado. Esta diminuta oscilación rotacional es un movimiento cuántico fundamental que presentan todos los objetos y que los físicos denominan fluctuación de punto cero. «Según los principios de la mecánica cuántica, ningún objeto puede permanecer completamente quieto», explica Lorenzo Dania, investigador postdoctoral del grupo de Frimmer y primer autor del estudio. «Cuanto más grande es un objeto, más pequeñas son estas fluctuaciones de punto cero y más difícil resulta observarlas».
Múltiples registros
Hasta la fecha, nadie ha logrado detectar estos diminutos movimientos en un objeto de este tamaño con tanta precisión como los investigadores de la ETH. Lo lograron gracias a que lograron eliminar en gran medida todos los movimientos que se originan en el campo de la física clásica y dificultan la observación de los movimientos cuánticos. Los investigadores de la ETH atribuyen el 92 % de los movimientos del cúmulo en su experimento a la física cuántica y el 8 % a la física clásica; por lo tanto, hablan de un alto nivel de pureza cuántica. «Anteriormente, no esperábamos alcanzar un nivel de pureza cuántica tan alto», explica Dania.
Y los récords no terminan ahí: los investigadores lograron todo esto a temperatura ambiente. Los investigadores cuánticos suelen tener que enfriar sus objetos a una temperatura cercana al cero absoluto (-273 grados Celsius) utilizando equipos especiales. Esto no fue necesario en este caso. Frimmer ofrece una analogía: «Es como si hubiéramos construido un nuevo vehículo que transporta más carga que los camiones tradicionales y, al mismo tiempo, consume menos combustible».
Pequeño y enorme al mismo tiempo
Si bien muchos investigadores investigan los efectos cuánticos en átomos individuales o en pequeños grupos, Frimmer y su grupo se encuentran entre quienes trabajan con objetos relativamente grandes. Su cúmulo de nanoesferas puede ser diminuto en términos cotidianos, pero está compuesto por varios cientos de millones de átomos, lo que lo hace enorme desde la perspectiva de un físico cuántico. El interés en objetos de este tamaño se debe en parte a la esperanza de futuras aplicaciones de la tecnología cuántica, por ejemplo. Dichas aplicaciones requieren el control de sistemas más grandes mediante los principios de la mecánica cuántica.
Los investigadores lograron levitar sus nanopartículas mediante una pinza óptica. En este proceso, la partícula se coloca al vacío en un recipiente transparente. Una lente enfoca la luz láser polarizada en un punto dentro de este recipiente. En este punto focal, la partícula se alinea con el campo eléctrico del láser polarizado y, por lo tanto, permanece estable.
“Un comienzo perfecto”
«Lo que hemos logrado es un punto de partida ideal para futuras investigaciones que, en el futuro, podrían dar lugar a aplicaciones», afirma Frimmer. Para estas aplicaciones, primero se necesita un sistema de alta pureza cuántica que permita suprimir con éxito toda interferencia externa y controlar los movimientos de la forma deseada, afirma, y añade que esto ya se ha logrado. Entonces sería posible detectar efectos mecánicos cuánticos, medirlos y utilizar el sistema para aplicaciones tecnológicas cuánticas.
Las posibles aplicaciones incluyen la investigación básica en física para diseñar experimentos que investiguen la relación entre la gravedad y la mecánica cuántica. También es concebible el desarrollo de sensores para medir fuerzas diminutas, como las de las moléculas de gas o incluso las de partículas elementales que actúan sobre el sensor. Esto sería útil en la búsqueda de materia oscura. «Ahora disponemos de un sistema relativamente sencillo, rentable y muy adecuado para este propósito», afirma Frimmer.
Aplicaciones en navegación y medicina
En un futuro lejano, los sensores cuánticos también podrían utilizarse en la imagenología médica. Se espera que puedan detectar señales débiles en entornos donde, de otro modo, los dispositivos de medición captarían principalmente ruido de fondo. Otra posible aplicación podrían ser los sensores de movimiento, que podrían facilitar la navegación de vehículos incluso sin contacto con un satélite GPS.
Para la mayoría de estas aplicaciones, el sistema cuántico requeriría miniaturizarse. Según los investigadores de la ETH, esto es posible en principio. En cualquier caso, han encontrado una manera de lograr el estado cuántico controlable deseado sin una refrigeración que consume mucho tiempo, dinero y energía.
Los investigadores de la ETH Zurich realizaron este trabajo junto con colegas de la Universidad Tecnológica de Viena, la Universidad de Manchester y el Institut de Ciències Fotòniques de Barcelona.
Referencia
Dania L, Schmitt Kremer O, Piotrowski J, Candoli D, Vijayan J, Romero-Isart O, Gonzales-Ballestero C, Novotny L, Frimmer M: Optomecánica cuántica de alta pureza a temperatura ambiente, Nature Physics 2025, doi: 10.1016/j.1025.página externa10.1038/s41567-025-02976-9
ETH Zürich News. F. B. Traducido al español
