Un equipo internacional liderado por investigadores de ETH Zúrich y TU Wien ha logrado un avance científico de gran relevancia al conseguir enfriar un modo de movimiento cuántico hasta su estado fundamental con una impresionante pureza del 92 %, todo ello sin necesidad de alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto. Este descubrimiento desafía décadas de creencias sobre las limitaciones de la mecánica cuántica aplicadas a objetos relativamente grandes y abre la puerta a nuevas plataformas que podrían funcionar a temperaturas ambiente. En esencia, su hazaña consiste en haber aislado y “congelado” la libración —una oscilación angular— de una nanopartícula de sílice suspendida en vacío, mientras se mantiene el resto de la partícula a temperaturas mucho más elevadas. La investigación señala que se han alcanzado niveles de ocupación mínima de 0,04 cuantos, una cifra que representa un salto significativo en el campo de la óptica cuántica y la mecánica.
El núcleo del experimento radica en el uso de una nanopartícula anisotrópica, compuesta por varias nanosesferas de sílice con un diámetro de unos 120 nm, atrapada mediante una pinza óptica en una cámara de vacío. Los investigadores seleccionaron el movimiento angular adecuado, el modo α de libración, que es especialmente sensible a la interacción con el campo óptico. Gracias a esta selección, pudieron enfriar este modo hasta el estado fundamental, utilizando técnicas de acoplamiento optomecánico. Además, la elección estratégica de la polarización del láser trampa contribuyó a maximizar la tasa de acoplamiento y reducir el ruido de fase, un factor que históricamente ha impedido avances en esta área.
Dado que el enfoque tradicional para lograr pureza cuántica en osciladores mecánicos implicaba la necesidad de enfriar todo el sistema a temperatura criogénica, lo que conlleva altos costos y complejidad operativa, este nuevo método representa un verdadero cambio de paradigma. Los investigadores lograron sortear esta limitación mediante una configuración innovadora de dispersión coherente en una cavidad Fabry-Pérot. Este arreglo permite canalizar la energía del modo α hacia el campo óptico y extraerla utilizando procesos anti-Stokes, haciendo posible medir con precisión la ocupación fonónica sin depender de la señal de salida de la cavidad, evitando así errores asociados al ruido de fase del láser.
Entre los desafíos de la optomecánica se encuentra el ruido de fase del láser, que puede introducir fluctuaciones no deseadas. Para mitigar este problema, el equipo implementó un sistema conocido como «noise eater», capaz de detectar y corregir en tiempo real las fluctuaciones de fase del láser a través de un interferómetro Mach-Zehnder desbalanceado. Al mejorar la ganancia de este sistema de retroalimentación, lograron llevar la ocupación del modo α a un sorprendente valor de 0,04, apuntando hacia el límite impuesto por el retroceso cuántico. Las imágenes de sus resultados muestran la implementación efectiva de esta técnica, que permite ubicar la partícula en el antinodo de la cavidad sin penalizaciones térmicas.
Con un modo mecánico a temperatura ambiente alcanzando una pureza del 92 %, las implicaciones para la física cuántica son vastas. Este avance podría facilitar la creación de estados cuánticos no clásicos mediante compresión cuántica y ofrecer nuevas maneras de estudiar dinámicas inestables en cavidades. Además, la alta frecuencia de resonancia del modo α, que se sitúa en el rango de megahercios, podría permitir su interacción resonante con otros sistemas cuánticos sin la necesidad de ahorrar en costosos criostatos. Este nuevo enfoque coloca a los sistemas de «libradores» levitados a temperatura ambiente en la vanguardia de la investigación experimental en optomecánica cuántica.
