Para el ojo humano, la mayoría de los objetos estacionarios parecen ser solo eso: quietos y completamente en reposo. Sin embargo, si nos entregaran una lente cuántica, que nos permitiera ver objetos a la escala de átomos individuales, ¿qué era una manzana sentada?ociosamente en nuestro escritorio aparecería como una colección de partículas vibrantes, muy en movimiento.
En las últimas décadas, los físicos han encontrado formas de superenfriar objetos para que sus átomos estén casi parados, o en su "estado fundamental de movimiento". Hasta la fecha, los físicos han luchado contra objetos pequeños como nubes de millones deátomos, 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 acerque a su estado fundamental de movimiento. El objeto no es tangible en el sentido de estar situado en un lugar, pero es la combinaciónmovimiento de cuatro objetos separados, cada uno con un peso de unos 40 kilogramos. El "objeto" que los investigadores enfriaron tiene una masa estimada de unos 10 kilogramos, y comprende alrededor de 1x1026, o casi 1 octillón, de átomos.
Los investigadores aprovecharon la capacidad del Observatorio de ondas gravitacionales del interfrómetro láser LIGO para medir el movimiento de las masas con extrema precisión y enfriar el movimiento colectivo de las masas a 77 nanokelvins, apenas por debajo del previsto para el objeto.estado fundamental de 10 nanokelvins.
Sus resultados, que aparecen hoy en ciencia , representan el objeto más grande que se enfría hasta acercarse a su estado fundamental de movimiento. Los científicos dicen que ahora tienen la oportunidad 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. "Hemos demostrado cómo preparar objetos a escala de kilogramos en estados cuánticos. Estofinalmente abre la puerta a un estudio experimental de cómo la gravedad podría afectar a los grandes objetos cuánticos, algo que hasta ahora sólo se había soñado ".
Los autores del estudio son miembros del Laboratorio LIGO e incluyen al autor principal y estudiante de posgrado Chris Whittle, el posdoctorado Evan Hall, la científica investigadora Sheila Dwyer, la Decana de la Facultad de Ciencias y la profesora de Astrofísica Curtis y Kathleen Marble, Nergis Mavalvala, yprofesor asistente de ingeniería mecánica Vivishek Sudhir.
retroceso de precisión
Todos los objetos incorporan algún tipo de movimiento como resultado de las muchas interacciones que tienen los átomos, entre sí y de influencias externas. Todo este movimiento aleatorio se refleja en la temperatura de un objeto. Cuando un objeto se enfría cerca de la temperatura cero,todavía tiene un movimiento cuántico residual, un estado llamado "estado fundamental del movimiento".
Para detener un objeto en su trayectoria, se puede ejercer sobre él una fuerza igual y opuesta piense en detener una pelota de béisbol en pleno vuelo con la fuerza de su guante.movimientos del átomo, pueden aplicar fuerzas contrarias para reducir su temperatura, una técnica conocida como enfriamiento por retroalimentación.
Los físicos han aplicado enfriamiento por retroalimentación a través de varios medios, incluida la luz láser, para llevar átomos individuales y objetos ultraligeros a sus estados básicos cuánticos, y han intentado sobreenfriar objetos progresivamente 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 interactúa con las cosas que lo rodean", dice Sudhir. "Y es más difícil aislar los objetos más grandes de todas las cosas que suceden 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 requerido para detener este movimiento. Pocos instrumentos en el mundo pueden alcanzar tal precisión. LIGO, como sucede, puede.
El observatorio de detección de ondas gravitacionales comprende interferómetros gemelos en ubicaciones separadas de los EE. UU. Cada interferómetro tiene dos túneles largos conectados en forma de L que se extienden 4 kilómetros en cualquier dirección. En cada extremo de cada túnel hay un espejo de 40 kilogramossuspendido por fibras delgadas, que se balancea como un péndulo en respuesta a cualquier perturbación, como una onda gravitacional entrante. Un láser en el nexo de los túneles se divide y se envía por cada túnel, luego se refleja de regreso a su fuente. La sincronización de los láseres de retornoles dice a los científicos con precisión cuánto se movió 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 escala humana, luego aplicar una fuerza contraria, opuesta a la que miden, para llevar los objetos a su estado fundamental.
Reaccionando en retroceso
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 puede mapear matemáticamente el movimiento conjunto de estas masas y pensar en ellas como el movimiento de un solo 10-objeto kilogramo. "
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 "retroacción de medición". Como fotones individuales de un láserrebotan en un espejo para recopilar información sobre su movimiento, el impulso del fotón empuja hacia atrás en el espejo. 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 elinformación transportada por fotones posteriores.
Armados con un registro completo de perturbaciones tanto cuánticas como clásicas en cada espejo, los investigadores aplicaron una fuerza igual y opuesta con electroimanes adheridos a la parte posterior de cada espejo. El efecto tiró el movimiento colectivo casi paralizado, dejando a los espejos contan poca energía que no se movieron más de 10-20 metros, menos de una milésima parte del tamaño de un protón.
El equipo luego comparó la energía restante del objeto, o el movimiento, con la temperatura, y encontró que el objeto estaba sentado a 77 nanokelvins, muy cerca de su estado fundamental de movimiento, que predicen que será de 10 nanokelvins.
"Esto es comparable a la temperatura que los físicos atómicos enfrían sus átomos para llegar a su estado fundamental, y eso es con una pequeña nube de tal vez un millón de átomos, que pesa picogramos", dice Sudhir. "Por lo tanto, es notable que se pueda enfriar algomucho 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, en una escala masivaeso nunca se ha hecho antes ".
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la National Science Foundation.
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