Logran por primera vez llevar a su estado cuántico un objeto de diez kilos y un octillón de átomos

Durante las últimas décadas, los científicos han encontrado la manera de enfriar objetos (el calor equivale a movimiento ) hasta el punto de que sus átomos se detengan casi por completo, o lo que es lo mismo, para que esos objetos pasen a estar en su ' estado fundamental de movimiento ', o ' estado cuántico '. Hasta ahora, los físicos han tenido éxito en esa labor con objetos sumamente pequeños, formados por apenas unos miles de átomos y con un peso que se mide en nanogramos (un nanogramo, ng, es la milmillonésima parte del gramo).

Pero ahora eso ha cambiado. Por primera vez, en efecto, un equipo de investigadores de varias instituciones, entre ellas el Instituto de Tecnología de Massachusetts (el célebre MIT), ha conseguido llevar un objeto grande, a escala humana, muy cerca de su estado fundamental de movimiento. El objeto en cuestión no era tangible, en el sentido de que no estaba situado en un lugar concreto, sino que se derivó del movimiento combinado de cuatro objetos separados, cada uno de ellos de unos unos 40 kilogramos. El 'objeto' que los investigadores enfriaron tenía una masa estimada de aproximadamente 10 kilogramos y estaba hecho, aproximadamente de 1x10 elevado a 26, o casi 1 octillón, de átomos .

Para conseguirlo, los investigadores aprovecharon la capacidad del observatorio de ondas gravitacionales LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) para medir el movimiento de las masas con extrema precisión y enfriar el movimiento colectivo de esas masas hasta 77 nanokelvins (un nanokelvin es la milmillonésima parte de un grado Kelvin), apenas por debajo del estado fundamental predicho del objeto, que es de 10 nanokelvins. Muy cerca, pues del 'cero absoluto' (0 grados Kelvin, ó -273 grados centígrados) que es la temperatura en que la actividad atómica cesa por completo.

Los resultados de esta investigación, que se acaban de publicar en ' Science' , representan el objeto más grande enfriado por ahora hasta el punto de acercarse a su estado fundamental de movimiento y abre nuevas fronteras para la física.

«Nadie había observado nunca cómo actúa la gravedad en estados cuánticos masivos -afirma Vivishek Sudhir , investigador del MIT y director del proyecto-. Hemos demostrado cómo llevar objetos en la escala de kilogramos a estados cuánticos. Esto abre por fin la puerta a estudios experimentales de cómo la gravedad podría afectar a los objetos cuánticos, algo con lo que hasta ahora solo se había soñado».

Cualquier objeto, como hemos visto, está sujeto a algún tipo de movimiento como resultado de las múltiples interacciones de los átomos que lo componen. Y todo ese movimiento aleatorio se refleja en la temperatura que tiene el objeto. Cuando un objeto se enfría cerca del cero absoluto, aún posee un movimiento cuántico residual, un estado llamado 'estado fundamental del movimiento'.

Para detener un objeto cualquiera en movimiento, se puede ejercer sobre él una fuerza igual y opuesta, como una pelota en pleno vuelo que detenemos con la fuerza de nuestras manos. Por eso, si los científicos son capaces de medir con precisión la magnitud y la dirección del movimiento de un átomo, podrán aplicar fuerzas contrarias para reducir su temperatura, una técnica conocida como ' enfriamiento por retroalimentación '.

Hasta ahora, los físicos han aplicado ya esta técnica a través de varios medios, incluida la luz láser, para llevar átomos individuales y objetos ultraligeros a sus estados básicos cuánticos, y han intentado 'superenfriar' objetos progresivamente más grandes para estudiar los efectos cuánticos en sistemas cada vez mayores y tradicionalmente 'clásicos'.

«El hecho de que algo tenga temperatura -dice Sudhir - es un reflejo 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».

Para enfriar los átomos de un objeto grande a un estado cercano al fundamental, lo primero que hace falta es medir su movimiento con extrema precisión, para saber el grado de retroceso requerido para detener ese movimiento. Pocos instrumentos en el mundo pueden alcanzar tal precisión. Y LIGO es uno de ellos.

El observatorio de detección de ondas gravitacionales consta de dos interferómetros gemelos construídos en Estados Unidos, pero separados por miles de kilómetros el uno del otro. Cada interferómetro está formado por dos largos túneles conectados en forma de L que se extienden 4 kilómetros en cada dirección. En cada extremo de cada túnel hay un espejo de 40 kilogramos suspendido por fibras muy delgadas, que se balancea como un péndulo en respuesta a cualquier perturbación, como por ejemplo una onda gravitacional entrante. Un láser en la intersección de los túneles se divide y se envía por cada uno de los dos brazos de la L . Cuando llega a los extremos, el láser se refleja y regresa a la fuente que lo emitió. La sincronización de los láseres de retorno dice a los científicos con precisión cuánto se movió cada espejo, con una precisión de una diezmilésima parte del ancho 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 intrínseco de objetos grandes a escala humana, aplicar después una fuerza contraria, opuesta a la obtenida, y llevar así los objetos a su estado fundamental. Pero el objeto elegido para enfriar no es convencional, sino que está formado por el movimiento combinado de los cuatro espejos de LIGO.

«LIGO está diseñado para medir el movimiento conjunto de los cuatro espejos de 40 kilogramos -explica Sudhir-. Y resulta que se puede mapear matemáticamente el movimiento conjunto de estas cuatro masas y pensar en ellas como el movimiento de un solo objeto de 10 kilogramos».

Al medir el movimiento de los átomos y otros efectos cuánticos, prosigue Sudhir, el mismo acto de medir puede golpear al azar el espejo y provocar un movimiento, un efecto cuántico llamado 'retroacción de medición'. A medida que los fotones individuales de un láser rebotan en un espejo para recopilar información sobre su movimiento, el impulso mismo del fotón hace retroceder el espejo . Sudhir y sus colegas se dieron cuenta de que si los espejos se miden de forma continua, como sucede en LIGO, el retroceso aleatorio de los fotones pasados se podrá observar en la información transportada por los fotones posteriores .

Así, y armados con un registro completo de perturbaciones tanto cuánticas como clásicas en cada espejo, los investigadores aplicaron una fuerza igual y opuesta por medio de 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 movieron más de 10 elevado a -20 metros, menos de una milésima parte del tamaño de un protón.

Más tarde, el equipo comparó la energía restante del objeto, o movimiento, con la temperatura, y encontró que el objeto estaba a 77 nanokelvins, muy cerca de su estado fundamental de movimiento, que está predicho en 10 nanokelvins .

«Esto es comparable a la temperatura a la que los físicos atómicos enfrían sus átomos para llevarlos a su estado fundamental -explica Sudhir-, solo que eso lo hacen con una pequeña nube de tal vez un millón de átomos, que apenas pesa picogramos. Por lo tanto, es notable que se pueda enfriar algo mucho más pesado a la misma temperatura».

«Llevar algo a su estado fundamental -dice por su parte Chris Whittle , primer firmante del artículo- es a menudo el primer paso para ponerlo en estados cuánticos emocionantes o exóticos. Así que este trabajo es emocionante porque podría permitirnos estudiar algunos de estos otros estados, a una escala masiva en la que nunca antes se había hecho».