La mecánica cuántica dicta los límites de sensibilidad en las mediciones de desplazamiento, velocidad y aceleración. Un experimento reciente en el Instituto Niels Bohr prueba estos límites, analizando cómo las fluctuaciones cuánticas ponen en movimiento una membrana del sensor en el proceso de medición. La membrana es unmodelo preciso para futuros sensores cuánticos ultraprecisos, cuya naturaleza compleja puede incluso ser la clave para superar los límites cuánticos fundamentales. Los resultados se publican en la revista científica Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
Las cuerdas vibratorias y las membranas son el corazón de muchos instrumentos musicales. Al tocar una cuerda se excitan vibraciones, a una frecuencia determinada por su longitud y tensión. Además de la frecuencia fundamental, correspondiente a la nota musical, la cuerda tambiénvibra a frecuencias más altas. Estos armónicos influyen en cómo percibimos el 'sonido' del instrumento y nos permiten distinguir una guitarra de un violín. De manera similar, tocar un parche excita vibraciones en varias frecuencias simultáneamente.
Estos asuntos no son diferentes cuando se reduce, desde el bombo de medio metro en una orquesta clásica hasta la membrana de medio milímetro estudiada recientemente en el Instituto Niels Bohr. Y, sin embargo, algunas cosas no son lo mismo en absoluto:utilizando técnicas sofisticadas de medición óptica, un equipo dirigido por el profesor Albert Schliesser podría demostrar que las vibraciones de la membrana, incluidos todos sus armónicos, siguen las extrañas leyes de la mecánica cuántica. En su experimento, estas leyes cuánticas implicaron que el simple intento de medir con precisión la membranavibraciones lo pone en movimiento. ¡Como si mirar un tambor ya lo hiciera zumbar!
Un 'tambor' con muchos tonos
Aunque la membrana investigada por el equipo del Instituto Niels Bohr se puede ver a simple vista, los investigadores utilizaron un láser para rastrear con precisión el movimiento de la membrana. Y esto revela una serie de resonancias de vibración, todas las cuales se miden simultáneamente. Sus frecuenciasestán en el rango de Megahercios, aproximadamente mil veces más alto que las ondas de sonido que escuchamos, esencialmente porque la membrana es mucho más pequeña que un instrumento musical. Pero las analogías continúan: al igual que un violín suena diferente dependiendo de dónde se toca la cuerda sul tasto vs sul ponticello, los investigadores pudieron ver por el espectro de armónicos en qué lugar su membrana era excitada por el rayo láser.
Sin embargo, observar los sutiles efectos cuánticos en los que los investigadores estaban más interesados, requirió algunos trucos más. Albert Schliesser explica: "Por una vez, existe el problema de la pérdida de energía vibracional, que conduce a lo que llamamos decoherencia cuántica. Piense ende esta manera: en un violín, proporcionas un cuerpo de resonancia, que recoge las vibraciones de las cuerdas y las transforma en ondas de sonido arrastradas por el aire. Eso es lo que oyes. Tuvimos que lograr exactamente lo contrario: limitar las vibraciones amembrana solamente, para que podamos seguir su movimiento cuántico inalterado el mayor tiempo posible. Para eso tuvimos que desarrollar un 'cuerpo' especial que no pueda vibrar a las frecuencias de la membrana ".
Esto se logró mediante un llamado cristal fonónico, un patrón regular de agujeros que exhibe un intervalo de banda fonónica, es decir, una banda de frecuencias en la que la estructura no puede vibrar. Yeghishe Tsaturyan, un estudiante de doctorado en el equipo, se dio cuenta de quemembrana con un cuerpo tan especial en las instalaciones de nanofabricación de Danchip en Lyngby.
Un segundo desafío consiste en hacer mediciones lo suficientemente precisas. Utilizando técnicas del campo de Optomecánica, que es la experiencia de Schliesser, el equipo creó un experimento dedicado en el Instituto Niels Bohr, basado en un láser hecho a medida para sus necesidades, y unpar de espejos altamente reflectantes entre los que está dispuesta la membrana, lo que les permitió resolver vibraciones con amplitudes mucho más pequeñas que el radio de un protón 1 femómetro.
"Hacer mediciones tan sensibles no es fácil, en particular porque las bombas y otros equipos de laboratorio vibran con amplitudes mucho mayores. Por lo tanto, debemos asegurarnos de que esto no aparezca en nuestro registro de mediciones", agrega el estudiante de doctorado William Nielsen.
El vacío golpea el tambor
Sin embargo, es exactamente el rango de mediciones de ultra precisión donde se pone interesante. Luego, comienza a importar que, de acuerdo con la mecánica cuántica, el proceso de medición del movimiento también influya en él. En el experimento, esta 'acción cuántica de acción inversa"es causado por las inevitables fluctuaciones cuánticas de la luz láser. En el marco de la óptica cuántica, estas son causadas por fluctuaciones cuánticas del campo electromagnético en el espacio vacío vacío. Por extraño que parezca, este efecto dejó claras firmas en el NielsLos datos de los experimentos del Instituto Bohr, es decir, fuertes correlaciones entre las fluctuaciones cuánticas de la luz y el movimiento mecánico medido por la luz.
"Observar y cuantificar estas fluctuaciones cuánticas es importante para comprender mejor cómo pueden afectar las mediciones mecánicas de ultraprecisión, es decir, las mediciones de desplazamiento, velocidad o aceleración. Y aquí, entra en juego la naturaleza multimodal de la membrana: nosolo es una representación más precisa de los sensores del mundo real. También puede contener la clave para superar algunos de los límites cuánticos tradicionales para la precisión de la medición con esquemas más sofisticados, explotando las correlaciones cuánticas ", dice Albert Schliesser y agrega que a la largaLos experimentos cuánticos con objetos mecánicos cada vez más complejos también pueden proporcionar una respuesta a la pregunta de por qué nunca observamos un bombo en una superposición cuántica ¿o lo haremos?.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Copenhague - Instituto Niels Bohr . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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