En un avance notable en el campo de la física cuántica, un equipo internacional liderado por ETH Zúrich y TU Wien ha logrado enfriar un modo de movimiento cuántico al estado fundamental con una pureza del 92 % sin recurrir a temperaturas cercanas al cero absoluto. Este logro desafía décadas de creencias sobre los límites prácticos de la mecánica cuántica aplicada a sistemas relativamente grandes y abre nuevas posibilidades para la investigación en física cuántica a temperatura ambiente.
El enfoque del equipo se centra en la libración, una oscilación angular de una nanopartícula de sílice atrapada en el vacío. Aunque el resto de la nanopartícula se mantiene a cientos de grados, el movimiento angular específico se enfría, alcanzando una ocupación mínima de 0,04 cuantos, un resultado que propulsa a los sistemas levitados a temperatura ambiente por delante de los dispositivos optomecánicos y electromecánicos que dependen de la criogenia.
En este experimento, se utiliza una nanopartícula anisotrópica compuesta por varias nanosesferas de sílice de 120 nm, atrapada en una pinza óptica dentro de una cámara de vacío ultraalto. La combinación de un diseño preciso y la elección correcta del láser permite enfriar el modo óptimo para maximizar la tasa de acoplamiento y minimizar el ruido térmico. Esto significa que, mientras la parte interna de la nanopartícula está a temperatura elevada, su movimiento angular se enfría hasta quedar dominado por el nivel cuántico más bajo, un desarrollo sin precedentes.
Históricamente, lograr alta pureza cuántica requería enfriar todo el sistema a temperaturas criogénicas. Sin embargo, los investigadores han eludido esta limitación utilizando una configuración de dispersión coherente en una cavidad Fabry–Pérot, canalizando la energía adecuada hacia el campo óptico. Así, los resultados obtenidos superan las expectativas previamente establecidas en entornos criogénicos.
Uno de los principales desafíos en este tipo de experimentos es el ruido de fase de los láseres, que puede introducir fluctuaciones indeseadas. Para contrarrestar esto, el equipo implementó un “noise eater” que detecta y corrige en tiempo real las fluctuaciones de fase del láser. Gracias a este sistema, el método alcanzó una ocupación del modo α de solo 0,04, acercándose al límite impuesto por el retroceso cuántico.
Una revelación importante del estudio es que no es necesario enfriar todos los grados de libertad de una partícula para observar un estado cuántico de alta pureza. Al concentrarse en la libración, los investigadores aislaron exitosamente este modo de la dinámica interna caldeada por la temperatura elevada. Según el artículo, esto implica que el límite final del enfriamiento no lo impone el entorno, sino los mecanismos de retroalimentación cuánticos que emergen del acoplamiento óptico.
Esta capacidad para enfriar selectivamente podría ser aplicable a otros sistemas mecánicos o híbridos, estableciendo una base para futuras conexiones entre nanopartículas levitadas y sistemas más complejos, como cúbits superconductores o iones atrapados.
Con la posibilidad de generar estados no clásicos a partir de un modo mecánico a temperatura ambiente y una pureza del 92 %, este estudio sienta las bases para la exploración de fenómenos inusuales en la física cuántica. Desde dinámicas inestables hasta giros rotacionales intrigantes, las implicaciones de este trabajo son vastas y podrían redefinir la senda de la optomecánica cuántica experimental.
La información presentada corresponde a la publicación original de fecha 2025-08-12.
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