Para el ojo humano, la mayoría de los objetos estacionarios parecen ser solo eso: estacionarios y completamente en reposo. Sin embargo, si nos dieran una lente cuántica, que nos permitiera ver objetos en la escala de átomos individuales, lo que era una manzana que descansaba perezosamente sobre nuestro escritorio aparecería como una colección rebosante de partículas vibrantes y muy coloridas.
Durante las últimas décadas, los físicos han encontrado formas de sobreenfriar objetos para que sus átomos estén casi parados o en su "estado fundamental en movimiento". Hasta la fecha, los físicos han luchado con objetos pequeños como nubes de millones de átomos u objetos a escala de nanogramos en estados cuánticos tan puros.
Ahora, por primera vez, los científicos del MIT y otros lugares han enfriado un objeto grande a escala humana hasta que se acerca a su estado fundamental en movimiento. El objeto no es tangible en el sentido de que está ubicado en un lugar, sino que es el movimiento combinado de cuatro objetos separados, cada uno de los cuales pesa alrededor de 40 kilogramos. El "objeto" que los investigadores enfriaron tiene una masa estimada de alrededor de 10 kilogramos y consta de alrededor de 1×1026, o casi un octillón de átomos.
Los investigadores aprovecharon la capacidad del Observatorio de ondas gravitacionales del interfrómetro láser (LIGO) para medir el movimiento de masas con extrema precisión y sobreenfriar el movimiento colectivo de masas a 77 nanokelvins, justo debajo del estado del suelo predicho por el objeto. de 10 nanokelvins.
Sus resultados, publicados hoy en La ciencia, representan el objeto más grande que se enfriará para acercarse a su estado fundamental en movimiento. Los científicos dicen que ahora tienen la capacidad de observar el efecto de la gravedad en un objeto cuántico masivo.
"Nadie ha observado nunca cómo actúa la gravedad en estados cuánticos masivos", dice Vivishek Sudhir, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT, quien dirigió el proyecto. “Mostramos cómo preparar objetos a escala de kilogramos en estados cuánticos. Esto finalmente abre la puerta a un estudio experimental de cómo la gravedad podría afectar a grandes objetos cuánticos, algo con lo que nunca se había soñado hasta ahora. "
Los autores del estudio son miembros del LIGO Lab e incluyen al autor principal y estudiante de posgrado Chris Whittle, el becario postdoctoral Evan Hall, la investigadora Sheila Dwyer, la decana de la Escuela de Ciencias y la profesora de astrofísica de Curtis y Kathleen Marble, Nergis Mavalvala, y profesora asistente de ingeniería mecánica Vivishek Sudhir.
Descarga de precisión
Todos los objetos incorporan algún tipo de movimiento debido a las muchas interacciones que los átomos tienen entre sí y a las influencias externas. Todo este movimiento aleatorio se refleja en la temperatura de un objeto. Cuando un objeto se enfría a una temperatura cercana a cero, todavía tiene movimiento cuántico residual, un estado llamado "estado fundamental en movimiento".
Para detener un objeto en seco, se puede ejercer sobre él una fuerza igual y opuesta. (Considere detener una pelota de béisbol en pleno vuelo con la fuerza de su guante). Si los científicos pueden medir con precisión la amplitud y la dirección del movimiento de un átomo, pueden aplicar fuerzas opuestas para reducir su temperatura, una técnica conocida como enfriamiento por retroalimentación.
Los físicos han aplicado enfriamiento por retroalimentación por varios medios, incluida la luz láser, para llevar átomos individuales y objetos ultraligeros a sus estados básicos cuánticos, y han intentado sobreenfriar gradualmente objetos cada vez más grandes para estudiar los efectos cuánticos en sistemas más grandes y tradicionalmente clásicos.
"El hecho de que algo tenga temperatura es un reflejo de la idea de que está interactuando con las cosas que lo rodean", dice Sudhir. "Y es más difícil aislar los objetos más grandes de lo que sucede a su alrededor".
Para enfriar los átomos de un objeto grande a un estado cercano al suelo, primero se tendría que medir su movimiento con extrema precisión, para saber el grado de retroceso necesario para detener ese movimiento. Pocos instrumentos en el mundo pueden lograr tal precisión. LIGO, en este caso, puede.
El Observatorio de Detección de Ondas Gravitacionales incluye interferómetros gemelos en ubicaciones separadas en los Estados Unidos. Cada interferómetro tiene dos túneles largos conectados en forma de L y que se extienden por 4 kilómetros en ambas direcciones. En cada extremo de cada túnel hay un espejo de 40 kilogramos suspendido por fibras finas, que se balancea como un péndulo en respuesta a cualquier perturbación, como una onda gravitacional entrante. Un láser en el enlace del túnel se divide y se envía a través de cada túnel, luego se refleja de regreso a su fuente. La sincronización de los láseres de retorno les dice a los científicos cuánto se ha movido cada espejo, con una precisión de 1 / 10.000 del ancho de un protón.
Sudhir y sus colegas se preguntaron si podrían usar la precisión de medición de movimiento de LIGO para medir primero el movimiento de objetos grandes a una escala humana y luego aplicar una fuerza neutralizante, opuesta a la que están midiendo, para llevar los objetos a su estado fundamental.
Actuar de nuevo
El objeto que pretendían enfriar no es un espejo individual, sino el movimiento combinado de los cuatro espejos de LIGO.
“LIGO está diseñado para medir el movimiento conjunto de los cuatro espejos de 40 kilogramos”, explica Sudhir. "Resulta que se puede mapear matemáticamente el movimiento conjunto de estas masas y pensar en ellas como el movimiento de un solo objeto de 10 kilogramos".
Al medir el movimiento de los átomos y otros efectos cuánticos, dice Sudhir, el mismo acto de medir puede patear al azar el espejo y ponerlo en movimiento, un efecto cuántico llamado "medición a cambio". Cuando los fotones individuales de un láser rebotan en un espejo para recopilar información sobre su movimiento, el impulso del fotón empuja el espejo hacia atrás. Sudhir y sus colegas se dieron cuenta de que si los espejos se miden continuamente, como en LIGO, el retroceso aleatorio de los fotones pasados se puede observar en la información transportada por los fotones posteriores.
Armados con un registro completo de perturbaciones cuánticas y clásicas en cada espejo, los investigadores aplicaron una fuerza igual y opuesta con electroimanes adheridos a la parte posterior de cada espejo. El efecto casi paralizó el movimiento colectivo, dejando a los espejos con tan poco poder que no se movieron durante más de 10-20 metros, menos de una milésima parte del tamaño de un protón.
Luego, el equipo comparó la energía restante del objeto, o el movimiento, con la temperatura, y encontró que el objeto estaba en 77 nanokelvins, muy cerca de su estado fundamental en movimiento, que predicen que será de 10 nanokelvins.
"Es comparable a la temperatura que los físicos atómicos enfrían sus átomos a su estado fundamental, y eso es con una pequeña nube de tal vez un millón de átomos, que pesa picogramos", explica Sudhir. “Por eso es notable que se pueda enfriar algo mucho más pesado, a la misma temperatura. "
"Preparar algo en el estado fundamental es a menudo el primer paso para ponerlo en estados cuánticos emocionantes o exóticos", dice Whittle. "Así que este trabajo es emocionante porque podría permitirnos estudiar algunos de estos otros estados, a una escala masiva que nunca antes se había hecho".
Esta investigación fue financiada, en parte, por la National Science Foundation.