Consiguen observar el movimiento cuántico

Cuando se deja de dar cuerda a un reloj de péndulo, éste acaba en reposo. Esta simple observación es válida sólo en el nivel de la física de los objetos relativamente grandes a escala humana.

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En el mundo infinitesimal, cambian todas las leyes físicas llevándonos a cuestionar la esencia de la realidad.

 

Sin embargo, la mecánica cuántica, las reglas físicas subyacentes que gobiernan el comportamiento fundamental de la materia y la luz a escala atómica, determina que nada puede quedar completamente quieto.

Por primera vez, un equipo de investigadores y colaboradores de Caltech (Instituto Tecnológico de California) ha encontrado una manera de observar y controlar este movimiento cuántico, en un objeto que es lo suficientemente grande como para verlo. Sus resultados se publican la revista Science.

Los científicos han sabido hace años que en la física clásica, los objetos físicos de hecho pueden ser inmóviles. Si se arroja una bola en un tazón, rodará hacia atrás y adelante varias veces.

Eventualmente, sin embargo, este movimiento será superado por otras fuerzas (como la gravedad y la fricción), y la bola se detendrá en la parte inferior de la taza. “En el último par de años, mi grupo y un par de otros grupos de todo el mundo han aprendido a enfriar el movimiento de un objeto pequeño, en la escala del micrómetro, para producir este estado en la parte inferior, o el estado fundamental cuántico”, dice Keith Schwab, profesor de Caltech de Física Aplicada, que dirigió el estudio.

“Pero sabemos que, incluso en el estado fundamental cuántico, a temperatura cero, permanecen muy pequeñas fluctuaciones o ruido”. Debido a que este movimiento cuántico, o ruido, es teóricamente una parte intrínseca del movimiento de todos los objetos, Schwab y sus colegas diseñaron un dispositivo que les permita observar este ruido y luego manipularlo.

El dispositivo a escala de micrómetro consiste en una placa de aluminio flexible que se sienta encima de un sustrato de silicio. La placa está acoplada a un circuito eléctrico superconductor que hace vibrar la placa a 3,5 millones de veces por segundo. De acuerdo con las leyes de la mecánica clásica, las estructuras que vibran con el tiempo llegarán a un descanso completo si enfría al estado del suelo. Pero eso no es lo que Schwab y sus colegas observaron cuando en realidad enfrían el resorte al estado fundamental en sus experimentos. Por el contrario, la energía residual –el ruído cuántico–, se mantuvo.

“Esta energía es parte de la descripción cuántica de la naturaleza, no puedes eliminarla”, dijo Schwab. “Todos sabemos que la mecánica cuántica explica precisamente por qué los electrones se comportan extrañamente. Aquí, estamos aplicando la física cuántica a algo que es relativamente grande, un dispositivo que se puede ver con un microscopio óptico, y estamos viendo los efectos cuánticos en un billón de átomos en lugar de sólo uno”.

“Debido a que este movimiento cuántico ruidoso siempre está presente y no se puede eliminar, se coloca un límite fundamental en la precisión con que uno puede medir la posición de un objeto. Pero ese límite, descubrieron Schwab y sus colegas, no es insuperable . Los investigadores y colaboradores desarrollaron una técnica para manipular el ruido cuántico inherente y encontraron que es posible reducirlo periódicamente.

A continuación, esta técnica fue implementada en un dispositivo mecánico en la escala de la micra en el laboratorio de baja temperatura de Schwab en Caltech. “Hay dos variables principales que describen el ruido o el movimiento”, explica Schwab. “Hemos demostrado que en realidad podemos hacer que las fluctuaciones de una de las variables sean menores a expensas de lo que las fluctuaciones cuánticas de la otra variable sean más grandes, que es lo que se llama un estado exprimido cuántico. Exprimimos el ruido en un solo lugar, pero debido a la compresión, el ruido tiene que salir a chorro en otros lugares. Pero mientras esos lugares más ruidosos no están donde se está obteniendo una medición, no importa.

La capacidad de controlar el ruido cuántico algún día podría se utilizada para mejorar la precisión de las mediciones muy sensibles, como las señales de ondas gravitacionales: ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo. “Nuestro trabajo tiene como objetivo detectar la mecánica cuántica a escalas cada vez más grandes, y un día, nuestra esperanza es que esto finalmente llegue a alcanzar algo tan grande como las ondas gravitacionales”, dice.

 

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