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Consiguen el estado fundamental en un tambor cuántico microscópico mediante el enfriamiento activo por microondas.

El circuito que contiene el tambor comparado con una moneda (izquierda) y una imagen de microscopia electrónica del tambor (derecha). Fuente: Teufel/NIST, A. Sanders/NIST.

Todo sistema cuántico tiene un estado fundamental, un estado de mínima energía (no nula) más allá del cual se dan todos los estados posibles que la Mecánica Cuántica (MC) permite, pero no hay ninguno por debajo (de energía inferior).
Gracias a que hay un estado fundamental los átomos no colapsan. Lo interesante es que hay un mínimo de movimiento o energía en esos sistemas que no puede ser eliminado incluso alcanzando el cero absoluto de temperatura. Es relativamente fácil alcanzar dicho estado en muchos sistemas. De hecho, es el estado “de reposo” al que tiende todo sistema cuántico. Sólo hay que impedir excitar ese estado con energía extra. Además, puede que el siguiente estado excitado esté bastante por encima y para poder saltar a él se necesita esa diferencia de energía o más.
Todo es sencillo si tenemos moléculas o átomos, pero si intentamos observar este tipo de cosas en otros sistemas, por ejemplo en dispositivos micromecánicos, la situación es más complicada. En este caso trataremos de ver y estudiar estados cuánticos vibracionales. Al ser objetos mesoscópicos sus propiedades cuánticas son de difícil análisis, porque casi cualquier cosa destruye su coherencia cuántica y les hace funcionar clásicamente, newtoniamente.
Por tanto hay que eliminar toda perturbación y rebajar su temperatura hasta cerca del cero absoluto para poder hacer este tipo de experimento y esperar que el sistema no se excite. Sólo así es posible, por ejemplo, alcanzar el estado fundamental de estos sistemas.
Recientemente en el NIST norteamericano han conseguido alcanzar el estado fundamental de una tambor cuántico.
El tambor cuántico está fabricado sobre un chip de zafiro, es de aluminio y está embebido en un circuito superconductor. La parte vibrante de este tambor contiene sólo 1 billón de átomos, mide 1,5 micras de ancho 100 nm de espesor.
A diferencia de la cuerda de una guitarra cuya vibración disminuye rápidamente al disiparse su movimiento en el tiempo, en este tambor tal cosa es diferente. Una vez alcanzado el estado fundamental (el de mínima energía) sigue vibrando a 11 millones de ciclos por segundo, aunque su amplitud se aproxima a cero con el tiempo.
La idea es usar este tipo de dispositivos en una futura computación cuántica o para poner a prueba los principios de la MC.
En otros casos para alcanzar el estado fundamental sólo se ha usado una refrigeración criogénica pasiva, pero en este caso se ha usado una refrigeración activa. En un primer paso se usa helio líquido como refrigerante para reducir la temperatura hasta los 20 miliKelvin (sistema pasivo). Luego, un sistema de enfriamiento activo la rebaja hasta los 400 microKelvin.
Para poder enfriar activamente este sistema los científicos implicados han utilizado microondas para así reducir el movimiento del tambor. El circuito está diseñado para que el movimiento del tambor pueda influir sobre las microondas de la cavidad electromagnética. El método de enfriamiento se basa en la sintonización de la frecuencia de microondas para que resuene con la frecuencia de resonancia natural de la cavidad. Conceptualmente este sistema de refrigeración activa es igual al empleado para refrigerar grupos átomos en un gas y conseguir estados condensados muy cerca del cero absoluto. Es esos casos se usa luz láser para detener los átomos que más se mueven (a pequeña escala la temperatura no es más que movimiento). En el tambor, el control de su vibración por medio de microondas consigue reducir su temperatura.
El movimiento mecánico del tambor es vigilado gracias a los fotones difundidos que abandonan la cavidad. Se puede inferir que a esa temperatura el sistema está en el estado fundamental dos tercios del tiempo.
Comparado con otros tambores cuánticos construidos anteriormente, este del NIST tiene un factor de calidad más alto, por lo que puede vibrar durante más tiempo. Además puede vibrar a una frecuencia más baja. Como consecuencia, los cuantos de energía pueden almacenarse durante 10.000 veces más tiempo (0,1 segundos). Este tiempo es suficiente para explorar las posibilidades del dispositivo como memoria cuántica en un futuro computador cuántico o para el estudio de comportamientos cuánticos complejos.
Además puede generar “gatos de Schrödiger” más grandes, estados para los que el sistema esté en dos posiciones a la vez. Esto quizás se podría usar para estudiar los efectos cuánticos de la gravedad o como sensor de movimiento ultrasensible.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa 1.
Nota de prensa 2.
Artículo original.
Tambor de Schrödinger macroscópico
Tambores de Schrödinger milimétricos.