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Logran enfriar un cuerpo con una masa equivalente a los 10 kilogramos hasta los 77 nanokelvins, casi cerca de su estado cuántico fundamental.

Un objeto macroscópico y estacionario parece que está quieto y completamente en reposo. Sin embargo, a la escala de átomos individuales, es una colección de partículas vibrantes. A ese movimiento colectivo lo llamamos calor. A menos movimiento menor es la temperatura del objeto.

En las últimas décadas, los físicos han encontrado formas de superenfriar objetos para que sus átomos estén casi en reposo y así el cuerpo esté en su «estado fundamental de movimiento». Pero siempre se ha tratado de colecciones pequeñas de átomos, de objetos a escala de nanogramos, no de objetos macroscópicos. La idea es y era estudiar los estados cuánticos tan puros de estos objetos. Así, por ejemplo se ha logrado analizar condensados de Bose-Einstein.

Si queremos estudiar el comportamiento cuántico a la escala macroscópica entonces habrá que conseguir enfriar grandes objetos hasta una temperatura cercana al cero absoluto. Pero esto no es fácil.

Un paso más en esta dirección lo ha dado un grupo de científicos pertenecientes a varias instituciones científicas al lograr enfriar un objeto a escala humana hasta lograr que este esté cerca de su estado fundamental de movimiento.

El cuerpo enfriado es, en realidad, un combinado que está formado cuatro objetos separados, cada uno de los cuales pesa unos 40 kilogramos. El objeto que los investigadores enfriaron tiene una masa equivalente estimada de aproximadamente 10 kilogramos y comprende aproximadamente 10²⁶ átomos.

Los investigadores aprovecharon la capacidad del observatorio de ondas gravitacionales LIGO para medir el movimiento de las masas con extrema precisión y enfriar el movimiento colectivo de las masas hasta los 77 nanokelvins, apenas por encima del estado fundamental predicho del objeto, que es de 10 nanokelvins.

Es el objeto más grande que se enfría hasta acercarse a su estado cuántico fundamental de movimiento. La idea que hay detrás de todo esto es observar el efecto de la gravedad sobre un objeto cuántico masivo.

Como todos sabemos, la temperatura destruye los estados cuánticos, por lo que se necesita enfriar un objeto hasta cerca del cero absoluto si queremos estudiar dichos estados. Además, si queremos analizar el efecto de la gravedad sobre los estados cuánticos, será más fácil medirlo sobre un objeto pesado que sobre una nube de unos cuantos átomos al ser más susceptible al campo gravitatorio.

«Nadie ha observado nunca cómo actúa la gravedad en estados cuánticos masivos. Hemos demostrado cómo preparar objetos a escala de kilogramos en estados cuánticos. Esto finalmente abre la puerta a un estudio experimental de cómo la gravedad podría afectar a los grandes objetos cuánticos, algo con lo que hasta ahora sólo se había soñado», dice Vivishek Sudhir (MIT). Los autores del estudio son miembros de la colaboración LIGO.

Todos los objetos incorporan algún tipo de movimiento que son el resultado de las muchas interacciones que tienen los átomos, tanto entre sí como debidas a influencias externas. Todo este movimiento aleatorio se refleja en la temperatura de un objeto. Cuando un objeto se enfría hasta cerca del cero absoluto de temperatura, todavía queda un movimiento cuántico residual, un estado llamado «estado fundamental del movimiento».

Para detener una partícula se puede aplicar una fuerzas contraria que reduzca su movimiento. Esto lo podemos hacer sobre muchas partículas a la vez de tal modo que se reduzca la temperatura del conjunto en lo que podemos llamar enfriamiento por retroalimentación.

Desde hace décadas se usa este concepto para reducir la temperatura de nubes de átomos usando haces láser y el efecto Doppler. Gracias a esto se ha conseguido a estos objetos ultraligeros a sus estados básicos cuánticos. Con el tiempo se ha intentado sobreenfriar objetos cada vez más grandes para estudiar los efectos cuánticos en sistemas que hasta ahora se han considerado tradicionalmente clásicos (no cuánticos).

«El hecho de que algo tenga temperatura es un reflejo de la idea de que interactúa con las cosas que lo rodean. Y es más difícil aislar los objetos más grandes de todas las cosas que suceden a su alrededor», dice Sudhir. .

Para enfriar los átomos de un objeto grande a un estado cercano al fundamental primero que hay que hacer es su movimiento con extrema precisión y así saber el grado de retroceso requerido para detener este movimiento y así poder aplicar la fuerza necesaria que lo contrarrestre. Pocos instrumentos en el mundo pueden alcanzar tal precisión, pero en LIGO sí es posible.

Cada interferómetro de los dos que hay en EEUU tiene dos túneles largos conectados en forma de L y que se extienden 4 kilómetros. En cada extremo de cada túnel hay un espejo de 40 kilogramos suspendido que se balancea como un péndulo en respuesta a cualquier perturbación, como una onda gravitacional entrante. Un láser se divide y se envía un haz por cada túnel, luego se refleja de regreso a su fuente. La sincronización de los láseres de retorno les dice a los científicos con precisión cuánto se movió cada espejo con una precisión de una diezmilésima del diámetro 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. El objeto que pretendían enfriar no es un espejo individual, sino el movimiento combinado de los cuatro espejos de LIGO. Al contrario que los métodos tradicionales que emplean láseres para enfriar, aquí los láseres se usan solamente para el movimiento y en enfriamiento se efectúan con electroimanes.

LIGO está diseñado para medir el movimiento conjunto de los cuatro espejos de 40 kilogramos, pero resulta que el movimiento conjunto de estas masas es matemáticamente equivalente al movimiento de un solo objeto de 10 kilogramos.

El mismo acto de medir puede empujar el espejo al azar y ponerlo en movimiento, un efecto cuántico denominado «retroacción de la medición». A medida que los fotones individuales de un láser rebotan en un espejo para recopilar información sobre su movimiento, el impulso del fotón hace retroceder el espejo. Sudhir y sus colegas se dieron cuenta de que si los espejos se miden continuamente, como se hace en LIGO, el retroceso aleatorio de los fotones anteriores se puede observar en la información transportada por los 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 hizo que el movimiento colectivo casi se detuviera, dejando a los espejos con tan poca energía que no se movían más de una milésima del tamaño de un protón.

Luego, el equipo comparó la energía de movimiento restante del objeto con la temperatura y encontró que el objeto estaba a 77 nanokelvins, muy cerca de su estado fundamental de movimiento, que predicen que dará a los 10 nanokelvins.

«Esto es comparable a la temperatura a la 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. Por lo tanto, es notable que se pueda enfriar algo mucho más pesado a la misma temperatura», dice Sudhir.

Preparar algo en su estado fundamental es, a menudo, el primer paso para ponerlo en estados cuánticos emocionantes o exóticos, como la superposición. Así que este resultado es emocionante porque en el futuro, si se llega a esos 10 nanokelvins, se podría quizás estudiar algunos de estos otros estados a una escala clásica a la que nunca antes se ha hecho.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Foto: Caltech/MIT/LIGO Laboratory.