UN ROTOR DE UN MILIGRAMO, INMOVILIZADO POR SER OBSERVADO

En los últimos veinte años, los físicos han aprendido a controlar objetos mecánicos cerca de sus límites cuánticos, desde resonadores nanométricos que pesan femtogramos hasta los espejos de varios kilos de los detectores de ondas gravitacionales. Pero casi todos son osciladores: algo, como un muelle, los devuelve hacia el centro. El sistema más sencillo de la mecánica cuántica, la partícula libre, sin nada que la haga volver, se ha resistido a ese control. A las bajas frecuencias en las que se desarrolla el movimiento libre, el rozamiento y el ruido del entorno lo ahogan todo.

Sin embargo, las masas libres son exactamente lo que necesitan varias grandes preguntas: comprobar si la gravedad es cuántica, explorar los cambios propuestos a la mecánica cuántica, buscar nuevas fuerzas de corto alcance.

Un espejo colgado de un hilo de vidrio

Umang Mishra, Teodor Strömberg, Onur Hosten y sus colegas del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria construyeron el objeto de prueba: una barra-espejo de 1 miligramo de sílice fundida, de 2 milímetros de largo, colgada de una fibra de sílice fundida de 15 centímetros de largo y 1 micrómetro de grosor, en un vacío por debajo de 10⁻¹⁰ milibares. En sentido estricto, es un péndulo de torsión que oscila de un lado a otro una vez cada 15 segundos. Pero en las escalas de tiempo que importan aquí, decenas de milisegundos, apenas nota ese tirón: se comporta como un objeto libre.

Su aislamiento es extremo. El equipo midió los pares de torsión aleatorios que la zarandean y no encontró más ruido que el que produciría una tasa de amortiguamiento de solo 7 nanohercios. Usada como acelerómetro, la punta de la barra sería casi cien veces más sensible que los mejores experimentos anteriores con esta masa.

Para observarla, una «doble palanca óptica» hace rebotar en el espejo dos haces láser en direcciones opuestas, de modo que un temblor del propio láser se anula y solo queda la rotación de la barra. Un tercer haz puede empujar la barra con la presión de la luz. Todo el montaje descansa sobre una plataforma de aislamiento sísmico, y un pequeño interferómetro con su propio espejo colgante sigue cualquier movimiento residual de esa plataforma.

La medición en lugar de una trampa

La idea clave es que la medición continua puede sustituir a la trampa. Si se deja solo, la posición y la velocidad de un objeto libre se dispersan con una incertidumbre cada vez mayor. Si se mide sin parar, su trayectoria se va revelando sobre la marcha, y lo que sabemos de su estado se asienta en una borrosidad estable y finita. Aquí esa borrosidad se estabiliza en unos 26 milisegundos.

Esa incertidumbre residual puede convertirse en una temperatura, mediante la definición de los libros de texto que relaciona la temperatura con los cambios de entropía. Esta «temperatura entrópica» indica con qué nitidez se conoce el movimiento del rotor, y permite comparar objetos libres con osciladores.

El equipo atrapó la barra con luz, la soltó y registró su ángulo en 100 tramos de 1,25 segundos. Se compararon dos formas de reconstruir su estado: una estimación «causal», que solo usa las mediciones pasadas, y otra «suavizada», que usa también las mediciones hechas después. La diferencia entre ambas dio una nueva forma de comprobar hasta qué punto se conoce realmente el estado.

140 nanokelvin

Solo con los datos pasados, el estado del rotor corresponde a 1,2 microkelvin.
Con el suavizado, baja a 140 nanokelvin: 140 milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto.

Eso es unos dos órdenes de magnitud más frío que los experimentos de sobremesa anteriores con objetos mecánicos. Los autores señalan que esto lleva estos sistemas al régimen ultrafrío, asociado hasta ahora sobre todo a nubes de átomos enfriados por evaporación. El enfriamiento convencional por realimentación no habría podido alcanzarlo.

Hay un suelo. Para este nivel de aislamiento, el modelo predice que la temperatura no puede bajar de unos 15 nanokelvin: según el principio de incertidumbre de Heisenberg, medir la posición con una finura cada vez mayor hace cada vez más borrosa la velocidad de rotación.

Para qué sirve una masa libre tan quieta

Hay dos usos inmediatos. Algunas teorías modifican la mecánica cuántica para que la borrosidad cuántica colapse espontáneamente, lo que añadiría un temblor débil y aleatorio a todo objeto. La quietud medida del rotor descarta una nueva franja de esos modelos a bajas frecuencias, complementaria de los límites fijados por la misión espacial LISA Pathfinder.

El segundo uso es la gravedad. Saber si la gravedad puede entrelazar dos masas es una cuestión abierta central. Según la cifra de mérito del equipo, dos rotores como este superarían ya a cualquier sistema demostrado hasta ahora en casi dos órdenes de magnitud en la razón entre crear entrelazamiento y perderlo, aunque siguen lejos del objetivo. Añadir una cavidad óptica modesta para leer la rotación, escriben los autores, pondría a su alcance la pureza necesaria.