La medición precisa de la posición resulta fundamental en el ámbito de la física, hasta el punto de que hace unos cien años se cerró un debate sobre la hipótesis atómica gracias a una observación detallada del movimiento browniano. Ahora, especialistas en el campo de la optomecánica cuántica de cavidades confían en dar respuesta a cuestiones igualmente fundamentales.
La optomecanica de cavidades, un campo emergente durante el último decenio, se basa en la aplicación de presión de radiación, una fuerza no perceptible a escala macroscópica, para medir y controlar osciladores nano y micromecánicos y medir movimientos mecánicos con una precisión sin precedentes.
El proyecto financiado por la UE QCDOM realizó una contribución importante a este campo mediante el desarrollo de un sistema nanooptomecánico a escala de chip que permite realizar mediciones extremadamente precisas. El sistema cuenta con un microrresonador óptico, un dispositivo que confina luces en volúmenes microscópicos en un chip durante un largo período de tiempo, acoplado a un oscilador nanomecánico de pequeño tamaño consistente en una cuerda con vibración mecánica.
«El acoplamiento eficaz entre el oscilador nanomecánico y el campo de la cavidad óptica nos permitió lograr una de las mediciones más sensibles hasta la fecha del movimiento mecánico», explicó el profesor Tobias Kippenberg de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Suiza) y coordinador del proyecto. Este grado de sensibilidad basta para resolver el equivalente a las fluctuaciones mecánicas cuánticas en el vacío de un oscilador mecánico dentro de su tiempo de descoherencia térmica, esto es, el tiempo que tarda en destruirse su estado cuántico. De este modo, los investigadores lograron vislumbrar los efectos cuánticos que se producen al medir.
Kippenberg y su equipo lograron este hito al incluir en su equipo a un experto en óptica cuántica de la talla del Dr. Dal Wilson, del prestigioso Instituto Tecnológico de California (Caltech) en Pasadena (Estados Unidos) gracias a una beca Marie Skłodowska-Curie para beneficiarios de terceros países. El proyecto de dos años concluyó a finales de noviembre 2015 y sus
resultados se publicaron en la prestigiosa revista científica Nature.
El interés que despierta la capacidad de realizar una medición del movimiento mecánico con tanta precisión reside en que aporta indicios de los límites que impone la mecánica cuántica a la hora de medir posiciones con exactitud. La posición y el momento de un oscilador mecánico no pueden conocerse con un grado de precisión arbitrario, por lo que las mediciones de la «retroacción» (backaction) cuántica resultan muy básicas, tal y como se aprecia en los experimentos realizados.
Aplicaciones prácticas
El proyecto ha realizado una labor de ciencia fundamental, pero sus resultados pueden tener aplicaciones tecnológicas. Las mediciones precisas del movimiento se emplean en sistemas sensores micro y nanoelectromecánicos (MEMS) para calcular aceleraciones o rotaciones. Los teléfonos móviles cuentan con resonadores piezomecánicos que filtran las señales de radiofrecuencia y los sistemas de control de automóviles y aeroplanos emplean osciladores de cuarzo mecánicos para medir el tiempo y orientarse en el espacio.
Los sensores nanooptomecánicos desarrollados en el proyecto QCDOM también podrían emplearse para medir temperaturas y amplificar señales de radiofrecuencias débiles.
«Resulta notable que en tan solo diez años haya surgido un paradigma completamente nuevo para accionar, leer y controlar osciladores micro y nanomecánicos —confesó Kippenberg—. Esta capacidad ya ha dado lugar a logros importantes en la física cuántica experimental y el progreso científico ha sido extraordinario. Estudios experimentales como el nuestro muestran el notable potencial tecnológico que puede desencadenar los sistemas opto y electromecánicos de este tipo».
Es muy probable que la capacidad de medir algo tan fundamental como la posición de un objeto macroscópico con una precisión cada vez mayor dé lugar a la observación y la verificación de hipótesis planteadas por la teoría cuántica en escalas sin precedentes.
Para más información, consulte el
sitio web del laboratorio coordinador del proyecto.
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