Uno podría pensar que las pinzas ópticas, un rayo láser enfocado que puede atrapar partículas pequeñas, ya son viejas. Después de todo, la pinza fue inventada por Arthur Ashkin en 1970. Y recibió el Premio Nobel por este año, presumiblemente después de que sus principales implicaciones se hubieran realizado durante el último medio siglo.
Sorprendentemente, esto está lejos de ser cierto. Las pinzas ópticas revelan nuevas capacidades mientras ayudan a los científicos a comprender la mecánica cuántica, la teoría que explica la naturaleza en términos de partículas subatómicas.
Esta teoría ha llevado a algunas conclusiones extrañas y contradictorias. Una de ellas es que la mecánica cuántica permite que exista un solo objeto en dos estados diferentes de la realidad al mismo tiempo. Por ejemplo, la física cuántica permite que un cuerpo esté en dos ubicaciones diferentes en el espacio simultáneamente, o tanto vivo como muerto, como en el famoso experimento mental del gato de Schrödinger.
Los dos estados del gato de Schrodinger: muerto (a la izquierda) y vivo (a la derecha). La física cuántica dice que el gato puede existir en ambos estados simultáneamente. (Rhoeo / Shutterstock.com) El nombre técnico de este fenómeno es superposición. Se han observado superposiciones para objetos pequeños como átomos individuales. Pero claramente, nunca vemos una superposición en nuestra vida cotidiana. Por ejemplo, no vemos una taza de café en dos lugares al mismo tiempo.
Para explicar esta observación, los físicos teóricos han sugerido que para objetos grandes, incluso para nanopartículas que contienen alrededor de mil millones de átomos, las superposiciones colapsan rápidamente a una u otra de las dos posibilidades, debido a un colapso de la mecánica cuántica estándar. Para objetos más grandes, la tasa de colapso es más rápida. Para el gato de Schrodinger, este colapso - a "vivo" o "muerto" - sería prácticamente instantáneo, explicando por qué nunca vemos la superposición de un gato en dos estados a la vez.
Hasta hace poco, estas "teorías del colapso", que requerirían modificaciones de la mecánica cuántica de los libros de texto, no podían probarse, ya que es difícil preparar un objeto grande en una superposición. Esto se debe a que los objetos más grandes interactúan más con su entorno que los átomos o las partículas subatómicas, lo que conduce a fugas de calor que destruyen los estados cuánticos.
Como físicos, estamos interesados en las teorías del colapso porque nos gustaría entender mejor la física cuántica, y específicamente porque hay indicios teóricos de que el colapso podría deberse a efectos gravitacionales. Sería emocionante encontrar una conexión entre la física cuántica y la gravedad, ya que toda la física se basa en estas dos teorías, y su descripción unificada, la llamada Teoría de todo, es uno de los grandes objetivos de la ciencia moderna.
Ingrese las pinzas ópticas
Las pinzas ópticas explotan el hecho de que la luz puede ejercer presión sobre la materia. Aunque la presión de radiación incluso de un rayo láser intenso es bastante pequeña, Ashkin fue la primera persona en demostrar que era lo suficientemente grande como para soportar una nanopartícula, contrarrestando la gravedad, levitando de manera efectiva.
En 2010, un grupo de investigadores se dio cuenta de que esa nanopartícula en poder de una pinza óptica estaba bien aislada de su entorno, ya que no estaba en contacto con ningún soporte material. Siguiendo estas ideas, varios grupos sugirieron formas de crear y observar superposiciones de una nanopartícula en dos ubicaciones espaciales distintas.
Un intrigante esquema propuesto por los grupos de Tongcang Li y Lu Ming Duan en 2013 involucró un cristal de nanodiamantes en una pinza. La nanopartícula no se queda quieta dentro de las pinzas. Más bien, oscila como un péndulo entre dos ubicaciones, con la fuerza de restauración proveniente de la presión de radiación debida al láser. Además, este nanocristal de diamante contiene un átomo de nitrógeno contaminante, que puede considerarse como un pequeño imán, con un polo norte (N) y un polo sur (S).
La estrategia de Li-Duan consistió en tres pasos. Primero, propusieron enfriar el movimiento de la nanopartícula a su estado fundamental cuántico. Este es el estado de energía más bajo que puede tener este tipo de partículas. Podríamos esperar que en este estado la partícula deje de moverse y no oscile en absoluto. Sin embargo, si eso sucediera, sabríamos dónde estaba la partícula (en el centro de las pinzas), y también qué tan rápido se movía (en absoluto). Pero el conocimiento perfecto simultáneo de la posición y la velocidad no está permitido por el famoso principio de incertidumbre de Heisenberg de la física cuántica. Por lo tanto, incluso en su estado de energía más bajo, la partícula se mueve un poco, lo suficiente para satisfacer las leyes de la mecánica cuántica.
En segundo lugar, el esquema de Li y Duan requería que el átomo de nitrógeno magnético se preparara en una superposición de su polo norte apuntando hacia arriba y hacia abajo.
Finalmente, se necesitaba un campo magnético para unir el átomo de nitrógeno al movimiento del cristal de diamante levitado. Esto transferiría la superposición magnética del átomo a la superposición de ubicación del nanocristal. Esta transferencia está habilitada por el hecho de que el átomo y la nanopartícula están enredados por el campo magnético. Ocurre de la misma manera que la superposición de la muestra radiactiva descompuesta y no descompuesta se convierte en la superposición del gato de Schrodinger en estados vivos y muertos.
Probar la teoría del colapso
Colapso de la superposición en una sola ubicación. (DreamcatcherDiana / Shutterstock.com) Lo que le dio a este trabajo teórico dientes fueron dos desarrollos experimentales emocionantes. Ya en 2012, los grupos de Lukas Novotny y Romain Quidant mostraron que era posible enfriar una nanopartícula ópticamente levitada a una centésima de grado por encima del cero absoluto, la temperatura más baja teóricamente posible, modulando la intensidad de las pinzas ópticas. El efecto fue el mismo que ralentizar a un niño en un columpio empujando en los momentos correctos.
En 2016, los mismos investigadores pudieron enfriar hasta una décima parte de un grado por encima del cero absoluto. Alrededor de este tiempo, nuestros grupos publicaron un artículo que establece que la temperatura requerida para alcanzar el estado fundamental cuántico de una nanopartícula con pinzas era alrededor de una millonésima de grado por encima del cero absoluto. Este requisito es desafiante, pero está al alcance de los experimentos en curso.
El segundo desarrollo emocionante fue la levitación experimental de un nanodiamante portador de defectos de nitrógeno en 2014 en el grupo de Nick Vamivakas. Usando un campo magnético, también pudieron lograr el acoplamiento físico del átomo de nitrógeno y el movimiento cristalino requerido por el tercer paso del esquema de Li-Duan.
La carrera ahora está en camino de alcanzar el estado fundamental para que, de acuerdo con el plan Li-Duan, se pueda observar un objeto en dos lugares colapsando en una sola entidad. Si las superposiciones se destruyen a la velocidad prevista por las teorías del colapso, la mecánica cuántica como la conocemos tendrá que ser revisada.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation.
Mishkat Bhattacharya, profesor asociado en la Escuela de Astronomía, Instituto de Tecnología de Rochester y Nick Vamivakas, profesor asociado de óptica cuántica y física cuántica, Universidad de Rochester
