Eduardo Martínez de la FeLa frontera cuántica ha trascendido los límites de las partículas elementales y alcanzado dimensiones macroscópicas inéditas, permitiendo a los científicos acercarse al estado fundamental de la materia a una escala de kilogramos.
Las partículas elementales, que forman la estructura más básica de la materia, tienen efectos cuánticos que solo se aprecian en los electrones y en otros componentes físicos más pequeños.
Sin embargo, en un laboratorio se pueden crear condiciones para obtener efectos cuánticos macroscópicos: la mayoría de las veces, se ha conseguido con nubes de millones de átomos. Esta frontera se ha traspasado con creces por primera vez en una nueva investigación.
La nueva investigación se ha desarrollado en el seno de un observatorio de detección de ondas gravitatorias llamado LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).
Es un observatorio que puede detectar movimientos miles de veces menores que el ancho de un átomo, gracias a unos singulares espejos que se balancean como un péndulo ante cualquier perturbación.
Frontera cuántica
Esos espejos, que se usan generalmente para detectar ondas gravitatorias, en el nuevo experimento han servido para llegar a la frontera cuántica.
En la escala cuántica, los objetos no son estáticos, ya que los átomos están en constante movimiento. Sin embargo, es posible ralentizarlos para que el sistema cuántico entre en un estado básico de estabilidad, es decir, en movimiento mínimo, casi detenido. Ese menor estado de energía se alcanza cuando la materia está muy fría, ya que, a más calor, más movimiento.
Para alcanzar la frontera cuántica, los autores de la nueva investigación colocaron electroimanes en la parte posterior de los cuatro espejos de LIGO, lo que redujo el movimiento pendular de todos ellos.
Tras enfriarse a 77 nanokelvins (un nanokelvin equivale a una milmillonésima de grado), los espejos se movieron menos de una milésima parte del ancho de un protón, rozando así la frontera cuántica.
El objeto que finalmente ha llegado a la frontera cuántica no es algo tangible (como los mismos objetos cuánticos), sino que es el movimiento pendular combinado de los cuatro espejos separados, cada uno de los cuales pesa unos 40 kilogramos.
El «objeto» que los investigadores enfriaron y casi detuvieron completamente tiene una masa estimada de alrededor de 10 kilogramos y un octillón de átomos, explican los investigadores en un comunicado.
Récord mundial
La inmovilidad casi completa de ese volumen de masa representa un récord mundial, porque nunca se había llegado tan cerca de la frontera cuántica con objetos tan grandes.
Hasta ahora, solo objetos en el rango de nanogramos habían sido llevados al estado fundamental, aunque la nueva proeza tiene un alcance mucho mayor que el propio récord, destacan los investigadores.
La finalidad de esta aproximación descomunal a la frontera cuántica es descubrir si la teoría cuántica se aplica a todo lo que existe, explica el investigador principal, Vivishek Sudhir, a la revista ORF.
Se trata de averiguar por qué los fenómenos cuánticos que ocurren con fotones, electrones y demás partículas elementales, se pueden apreciar en objetos más grandes solo en un laboratorio.
¿Por qué un fotón puede estar en dos lugares al mismo tiempo, pero no una pelota de tenis? Los físicos ya tienen una respuesta provisional: por las perturbaciones que provoca el entorno.
Gravedad cuántica masiva
“Los fenómenos cuánticos desaparecen cuando un objeto interactúa con su entorno”, añade Sudhir. “No sabemos por qué. Roger Penrose una vez sospechó que la gravedad era la responsable. Lo comprobaremos», concluye.
Después de este experimento, los científicos ya saben cómo acercarse al estado fundamental a una escala de kilogramos, y creen que pueden medir el efecto de la gravedad en un objeto cuántico masivo, algo considerado hasta ahora como un sueño imposible.
Lo conseguido es un punto de partida para crear estados exóticos de la materia, como supersólidos o fluidos que parecen tener masa negativa, señalan los investigadores.
El estado básico de la materia es prometedor también para una serie de aplicaciones, desde los relojes atómicos a los ordenadores cuánticos.
Referencia
Approaching the motional ground state of a 10-kg object. Chris Whittle et al. Science 18 Jun 2021: Vol. 372, Issue 6548, pp. 1333-1336. DOI: 10.1126/science.abh2634
1 octillion (inglés americano, 10^27) no es un octillón (español, 10^48). El número de Avogadro es 6·10^23 y un átomo de silicio pesa 28 u, así en 40 kilos de silicio (no sé muy bien de qué estarán hechos los espejos) hay unos 40000/28 * 6·10^23 = 0,8·10^27 átomos.