NeoFronteras

Imagen de microscopio electrónico de barrido del resonador nanomecánico. Foto: Cornell U.

Un nuevo dispositivo comprueba el principio de incertidumbre de Heisenberg hasta un nivel sin precedentes y marca una nueva frontera de tamaño entre el mundo cuántico y clásico.
En el mundo ultramicroscópico los átomos, moléculas y partículas subatómicas se comportan de manera extraña bajo las leyes contraintuitivas de la mecánica cuántica. No obedecen las leyes newtonianas clásicas que controlan el mundo que vemos directamente con los ojos o ni siquiera el de las células, bacterias o partículas de polvo. En ese mundo no se puede conocer todo, es un mundo probabilístico, y hay raros efectos de acción a distancia. Incluso el acto de medición, que colapsa la función de ondas, no se sabe interpretar o se interpreta de múltiples maneras.
No sabemos qué fenómeno o proceso divide ambos mundos o, ni siquiera, hasta donde se puede empujar dicha frontera desde el mundo cuántico hacia el nuestro (clásico y macroscópico), pues la frontera no esta clara, si es que realmente existe. Saber a qué distancia acaba lo cuántico y empieza lo clásico es una meta que siempre se ha perseguido desde que se introdujo esta disciplina en la Física Moderna. Lamentablemente mantener la coherencia cuántica de un sistema es más complicado cuanto más grande es éste, siendo muy dificil ver fenómenos cuánticos de objetos mayores que una molécula.
Keith Schwab profesor de física en la universidad de Cornell y sus colaboradores han creado un dispositivo que aproxima el límite mecánico cuántico hasta la mayor escala conocida al día de hoy.
Sorprendentemente los investigadores han mostrado además que se puede disminuir la temperatura de un objeto con sólo observarlo. Los resultados fueron publicados el pasado 14 de septiembre en la revista Nature.
El dispositivo utilizado para este fin es un resonador nanomecánico. Es muy pequeño bajo el punto de vista humano, ya que mide 8700 nanometros de largo por 200 nanometros de ancho. Está compuesto de una lámina de aluminio y nitruro de silicio fijada a ambos extremos, pero con la libertad de vibrar en el centro. Un transistor superconductor monoelectrón (superconducting single-electron transistor o SSET) detecta los posibles cambios minúsculos en la posición de la lámina o su estado de vibración.
Según el principio de incertidumbre de Heisenberg la medida simultánea en la precisión de la posición y velocidad (en realidad el momento que es el producto de la masa y la velocidad p=m•v) de una partícula está limitada por un determinado valor que viene dado por un múltipo de la constante de Plank. O lo que es lo mismo y para aquellos que les gustan las fórmulas:

Schwab y sus colaboradores fueron capaces de aproximarse más que nunca al límite teórico en sus medidas, demostrando también el fenómeno denominado back-action, por el cual el acto de observación de una partícula hace que ésta cambie de velocidad (en realidad de momento p).
La mecánica cuántica impide realizar una medida de algo sin afectar el estado de dicho objeto. Como las medidas en este dispositivo están muy cerca de lo marcado por el principio de incertidumbre, y la medida de la posición está fuertemente acoplada a la posición medida a través del transistor, los investigadores pueden «ver» el objeto moverse al medir su posición.
El dispositivo es muy pequeño bajo nuestro punto de vista, pero es inmenso comparado con los tamaños típicos del mundo cuántico (en 1 nm «caben» unos 10 átomos). Está es la primera vez que se comprueba el principio de incertidumbre a esta escala, obteniéndose los resultados predichos por la teoría.
La segunda observación fue una sorpresa: mediante la aplicación de ciertos valores de voltaje al transistor (elegidos cuidadosamente), los investigadores vieron que la temperatura del sistema disminuía, pasaba concretamente de 550 milikelvin a 300 milikelvin.
Mediante la observación del sistema no sólo se puede hacer que se mueva, sino que también se le puede extraer energía. Según los cálculos se podría disminuir la temperatura de este sistema hasta valores muy bajos. El mecanismo que hay detrás de este enfriamiento es análogo al proceso denominado enfriamiento Doppler, que permite a los físicos atómicos enfriar un gas atómico hasta casi el cero absoluto con rayos láser. Esta es la primera vez que el fenómeno es observado en un dispositivo de estado sólido.
Aunque se ha apuntado a la posibilidad de utilizar el fenómeno para el enfriamiento de futuros sistema de computación cuántica o para la misma computación cuántica, de momento Schwab no ha decidido investigar las aplicaciones de este efecto de enfriamiento, pues le parece más interesante la tarea de resolver el gran problema de la mecánica cuántica: si se mantiene la física cuántica en el mundo macroscópico, y si no es así, saber donde deja de ser válida. Por eso ahora está concentrado en otro principio cuántico: el principio de superposición, que permite a una partícula estar en dos lugares simultáneamente. “Estamos tratando de hacer que un dispositivo mecánico cuántico esté en dos lugares al mismo tiempo” afirmó Schwab, “La esperanza, el sueño, la fantasía, es que obtengamos la superposición y que gradualmente aumentemos el tamaño del sistema hasta encontrar el punto de ruptura.”
Quizás algún día podamos maravillarnos de poder observar propiedades cuánticas a un nivel considerado casi macroscópico. La verdadera ciencia, la más bonita, siempre está en la frontera, más allá del territorio familiar. La aventura es adentrarse en el mundo desconocido.

Fuente y referencias:
Cornell University.
Principio de incertidumbre.