Láser enfriador lleva a grandes objetos cerca del cero absoluto

La Profesora Asistente Nergis Mavalvala, a la izquierda, y el Estudiante Doctorado Thomas Corbitt son parte del equipo internacional que ha ideado una forma de enfriar objetos grandes cerca del cero absoluto. Imagen / Donna Coveney

Usando una técnica de enfriamiento por láser que podría algún día permitir a los científicos observar el comportamiento cuántico en grandes objetos, investigadores del MIT han enfriado un objeto del tamaño de una moneda a una temperatura de menos de un grado sobre el cero absoluto.

Este estudio marca la temperatura más baja jamás alcanzada por enfriamiento láser de un objeto de tal tamaño, y la técnica promete confirmar experimentalmente, por primera vez, que los objetos grandes obedecen las leyes de la mecánica cuántica al igual que los átomos.

Aunque el equipo de investigación aún no ha logrado temperaturas lo bastante bajas como para observar efectos cuánticos, “lo más importante es que hemos encontrado una técnica que podría permitirnos conseguir que (los objetos grandes) finalmente muestren por primera vez su comportamiento cuántico”, dijo la Profesora Asistente de Física del MIT Nergis Mavalvala, líder del equipo.

Los investigadores del MIT y los colegas de Caltech y del Instituto Albert Einstein en Alemania informarán de sus hallazgos en el próximo número de Physical Review Letters.

La Teoría Cuántica se desarrolló a principios del siglo XX para tener en cuenta el comportamiento atómico inesperado que no podía explicarse a través de la mecánica clásica. Pero a mayores escalas, el calor y movimiento de los objetos difuminan los efectos cuánticos, y las interacciones están dominadas por la mecánica clásica, incluyendo las fuerzas gravitatorias y el electromagnetismo.

“Siempre aprendiste en la física del instituto que los objetos grandes no se comportan de acuerdo a la mecánica cuántica debido a que están demasiado calientes, y la energía térmica oscurece el comportamiento cuántico”, dijo Thomas Corbitt, estudiante graduado en física por el Mit y autor principal del artículo. “Nadie ha demostrado la mecánica cuántica a tal escala (macroscópica)”.

Para ver los efectos cuánticos en objetos grandes, éstos deben ser enfriados cerca del cero absoluto. Tales temperaturas tan bajas sólo pueden obtenerse manteniendo los objetos lo más inmóviles posible. En el cero absoluto (0 grados Kelvin, -273 grados Celsius o -460 grados Fahrenheit), los átomos pierden su energía térmica y sólo mantienen su movimiento cuántico.

En el próximo artículo, los investigadores informan de que han bajado la temperatura de un espejo del tamaño de una moneda a 0,8 grados Kelvin. A esta temperatura, el espejo de 1 gramo de peso se mueve tan lentamente que le llevaría 13 mil millones de años (la edad del Universo) darle una vuelta a la Tierra, dijo Mavalvala, cuyo grupo es parte del Laboratorio LIGO del MIT (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory – Observatorio de ondas Gravitatorias de Interferómetro Láser).

El equipo continua refinando la técnica y ha conseguido posteriormente temperaturas mucho más bajas. Pero para observar el comportamiento cuántico de un objeto de este tamaño, los investigadores necesitan conseguir una temperatura que sea muchos órdenes de magnitud más fría, dijo Mavalvala.

Para lograr tales temperaturas, los investigadores están combinando dos técnicas previamente demostradas – óptica de captura y óptica de reducción. Los dos rayos láser golpean el espejo suspendido, uno como si fuese un resorte (recolocando el objeto en su posición de equilibrio cuando se mueve), y otro para decelerar (o reducir) el objeto y extraer su energía térmica.

Estos dos láser combinados generan una potente fuerza – más fuerte que una vara de diamante de la misma forma y tamaño que el rayo láser – que reduce el movimiento del objeto casi a la nada.

Usar luz para sostener el espejo en su sitio evita los problemas de tenerlo confinado en otro objeto, como un resorte, dijo Mavalvala. Los resortes mecánicos están hechos de átomos que tienen su propia energía térmica y por tanto interferirían con el enfriado.

Cuanto más se acerquen los investigadores a la fría temperatura que necesitan para ver el comportamiento cuántico, más difícil se hará alcanzar el objetivo final, predijo Mavalvala. Aún tenemos algunos temas técnicos en el camino, tales como la interferencia producida por las fluctuaciones de la frecuencia del láser.

“Éste último factor de 100 será heroico”, dijo ella.

Una vez que los objetos se hayan enfriado lo suficiente, deberían observarse los efectos cuánticos tales como la generación de estados “squeeze”, almacenamiento de información cuántica y entrelazamiento cuántico entre la luz y el espejo, dijo Mavalvala.


Otros autores del artículo son Christopher Wipf, estudiante graduado en física del MIT; David Ottaway, científico investigador en el LIGO del MIT; Edith Innerhofer (anteriormente miembro postdoctoral en el MIT); Yanbei Chen, jefe del grupo Max Planck (Instituto Albert Einstein); Helge Muller-Ebhardt y Henning Rehbein, estudiantes graduados en el Instituto Albert Einstein; y los científicos investigadores Daniel Sigg del Observatorio Hanford de LIGO y Stanley Whitcomb de Caltech.

Esta investigación ha sido financiada por la Fundación Nacional de Ciencia y el Ministerio Federal Alemán de Educación e Investigación.

Autora: Anne Trafton
Fecha Original: 5 de abril de 2007
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