La teoría de la mecánica cuántica establece que, además de exhibir un comportamiento similar al de las partículas, los objetos de todas las dimensiones pueden también mostrar propiedades de onda. Estas características son representadas mediante la función de onda, una descripción matemática de los sistemas cuánticos que define los movimientos de una partícula y la probabilidad de que se encuentre en una posición específica.
A pesar de los avances en la preparación de funciones de onda para pequeñas partículas, la manipulación de las de partículas más grandes ha sido un desafío considerable. Esto se debe principalmente a que el comportamiento ondulatorio de partículas de mayor masa es más susceptible a ser destruido por interacciones no deseadas que su comportamiento clásico como partículas.
Avances en la Delocalización Cuántica
Investigadores del Instituto Tecnológico de Zurich (ETH Zurich) y del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona han presentado un nuevo método que podría facilitar la delineación de la función de onda de partículas más grandes. Su enfoque, descrito en un artículo publicado en Physical Review Letters, utiliza una técnica denominada «apretamiento cuántico» para aumentar la longitud de coherencia, es decir, la distancia sobre la cual el comportamiento ondulatorio de un nanopartícula levitada ópticamente se mantiene bien definido.
Massimiliano Rossi, primer autor del estudio, señala que «una de las demostraciones más bellas de la física cuántica es la interferencia de ondas de materia». Esta propiedad sugiere que objetos masivos, que normalmente esperamos que se comporten como partículas, pueden también comportarse como ondas. En teoría, este comportamiento ondulatorio se aplica no solo a átomos, sino también a objetos más grandes y «ordinarios».
Los nanopartículas son un ejemplo perfecto de esto, ya que son comunes en la naturaleza y tienen un tamaño similar al de ciertos virus. Rossi explica que al aislar un nanopartícula y controlar su movimiento, la mecánica cuántica predice que debería también mostrar interferencia.
Sin embargo, a pesar de los intentos realizados por Rossi y su equipo para observar la interferencia en nanopartículas individuales, este objetivo ha resultado difícil de alcanzar. Un hito clave fue enfriar un nanopartícula hasta su estado cuántico fundamental, lo que implica colocarla en un paquete de ondas de movimiento bien definido. Sin embargo, este paquete de ondas es extremadamente estrecho, con un ancho de solo unos pocos picómetros, lo que requiere un difractor de escala similar, difícil de construir.
Para abordar este problema, el equipo decidió aumentar el tamaño del paquete de ondas en lugar de intentar construir un difractor más pequeño. El objetivo principal de su reciente estudio fue intentar expandir el paquete de ondas cuántico de un nanopartícula. Si tienen éxito, esto podría abrir la puerta a experimentos de interferencia con nanopartículas levitadas ópticamente.
El principio detrás de su método es sencillo y se puede encontrar en los libros de texto. En un potencial armónico, como el de una pinza óptica, un paquete de ondas gaussiano se mantiene bien confinado. Sin embargo, al eliminar repentinamente el potencial, se produce una delocalización: el paquete de ondas se expande con el tiempo, aumentando su «tamaño». Como es de esperar, no se puede simplemente apagar la trampa, ya que el nanopartícula caería.
Para superar este desafío, el equipo debilitó temporalmente la trampa óptica que utilizaban. Descubrieron que el paquete de ondas del nanopartícula se expandía inicialmente, pero luego era recomprimido por la trampa, regresando a su tamaño original. «El truco es volver a la trampa ajustada antes de que eso ocurra», explica Rossi. «De este modo, el paquete de ondas retiene su tamaño expandido, lo que nos da una mayor delocalización. Con este método, pudimos aumentar la delocalización del nanopartícula a 70 picómetros, más del doble de la longitud de coherencia del estado fundamental.»
Con este nuevo método, los investigadores lograron superar el límite del estado fundamental reportado en experimentos previos y ampliar activamente el paquete de ondas cuántico de un nanopartícula de manera controlada. En principio, su enfoque podría escalarse, lo que podría permitir experimentos de interferencia con objetos masivos en el futuro.
Rossi concluye que «si repetimos el proceso con múltiples pulsos, la delocalización puede crecer exponencialmente, siempre que la decoherencia se mantenga baja». Alcanzar longitudes de coherencia comparables al tamaño del nanopartícula sería un avance significativo hacia la interferencia de ondas de materia con objetos masivos.
El trabajo reciente de Rossi y su equipo podría inspirar a otros físicos a desarrollar enfoques similares para lograr la delocalización cuántica de partículas levitadas. En sus próximas investigaciones, los investigadores esperan idear estrategias efectivas para suprimir la decoherencia en el sistema óptico utilizado, dado que la principal fuente de decoherencia proviene de los fotones dispersados por la pinza óptica. Para ello, están desarrollando un enfoque híbrido de levitación, combinando la pinza óptica con una trampa cuadrupolar eléctrica, similar a las usadas para iones.
Este tipo de trampas puede proporcionar confinamiento con tasas de decoherencia extremadamente bajas, lo que permitiría avanzar aún más en la delocalización, con el objetivo final de lograr interferencia cuántica con objetos verdaderamente macroscópicos.
