Un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (EE UU) ha creado, con una diminuta membrana de aluminio, un “tambor” cuántico, que actúa como un circuito electromecánico y supera el récord de vibración microscópica. El dispositivo permite procesar información y podría controlar el movimiento de objetos relativamente grandes a la escala cuántica.
Con una apariencia similar a una pandereta o pandero sin sonajas, el tambor desarrollado por investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Colorado (NIST, en EE UU) es una membrana redonda de aluminio de 100 nanómetros de grosor y 15 micrómetros de ancho que actúa, a la vez, como la piel vibrante del tambor y como la pieza de un condensador eléctrico.
El dispositivo, cuyos detalles se publican en la revista Nature, posee la clave para abrir un nuevo campo en exploración cuántica. El circuito superconductor del tambor muestra un fuerte acoplamiento electromecánico sin precedentes, una característica fundamental para observar y controlar estados cuánticos duraderos en los movimientos mecánicos.
Este tambor es lo suficientemente ligero y flexible como para vibrar libremente incluso siendo más grande y pesado que los típicos nanohilos utilizados en experimentos similares. “Es tan superior físicamente que puedes hacer que la fuerza de acoplamiento vaya por la nubes”, declara John Teufel, autor principal del estudio.
“El tambor consigue un equilibrio perfecto ya que, aunque se mantiene a microescala, se puede acoplar fuertemente”, añade el investigador. Los experimentos pasaron la energía microondas a 56 megahercios (MHz o millón de ciclos por segundo) por nanómetro del movimiento del tambor, 1.000 veces más que lo conseguido hasta ahora. “Hemos aumentado el índice al que estos dos instrumentos se comunican entre sí” explica Teufel.
Entre las posibles aplicaciones prácticas del nuevo instrumento, destaca el poder medir la longitud y la fuerza con susceptibilidades a niveles de attómetros (trillonésima parte de un metro) y attonewtons (trillonésima parte de un newton) respectivamente.
Mayor índice de intercambio de energía
Los experimentos realizados por los científicos crearon fuertes interacciones entre la luz microondas, que oscila 7,5 mil millones de veces por segundo, y un “micro tambor” que vibra a una radiofrecuencia de 11 millones de veces por segundo.
En comparación con trabajos anteriores, que combinaban máquinas microscópicas y radiación electromagnética, el índice de intercambio de energía en el nuevo dispositivo (el “acoplamiento” que refleja la fuerza de la conexión ) es mucho más fuerte, las vibraciones mecánicas duran más tiempo y el aparato es mucho más sencillo de hacer.
El tambor se incorpora en una cavidad superconductora enfriada a 40 miliKelvin, una temperatura a la cual el aluminio permite a la corriente eléctrica fluir sin resistencia (una propiedad cuántica). Los científicos aplican microondas a la cavidad.
A continuación, mediante la aplicación de una unidad de tono establecida en la diferencia entre las frecuencias de las partículas de radiación de microondas (fotones) y el tambor, los investigadores aumentan drásticamente la fuerza de acoplamiento general para hacer que los dos sistemas se comuniquen más rápidamente de lo que se disipa su energía.
Las microondas se pueden utilizar para medir y controlar las vibraciones del tambor y viceversa. El movimiento del tambor durará cientos de microsegundos, según el artículo, un tiempo relativamente largo en el rápido mundo cuántico.
En términos de ingeniería, el tambor actúa como un condensador, un dispositivo que contiene carga eléctrica. Su capacitancia o capacidad para contener carga depende de la posición tambor unos 50 nanómetros por encima de un electrodo de aluminio.
La radio o el micrófono comparten el principio
Cuando el tambor vibra, la capacitancia cambia y el movimiento mecánico modula las propiedades del circuito eléctrico. Actúa el mismo principio en un micrófono y una radio de FM, pero aquí el movimiento natural del tambor, generalmente en una frecuencia, se transmite al oyente en el laboratorio.
El experimento supone un paso hacia el entrelazamiento (un curioso estado cuántico que correlaciona las propiedades de los objetos) entre los fotones de las microondas y el movimiento del tambor, afirma Teufel, que añade que el aparato tiene la fuerza de acoplamiento más alta y las pérdidas de energía más bajas necesarias para generar entrelazamiento.
Experimentos futuros tratarán si los movimientos mecánicos del tambor obedecen a las normas de la mecánica cuántica, que gobierna el comportamiento de la luz y los átomos.
El tambor es un logro clave en los esfuerzos del NIST para desarrollar componentes para ordenadores cuánticos superconductores y simulaciones cuánticas, mientras continúan trabajando para conseguir el objetivo tan buscado en la ciencia de realizar las mediciones más precisas posibles del movimiento mecánico.
Un paso hacia los ordenadores cuánticos
Los ordenadores cuánticos, si se pudieran crear, podrían solucionar ciertos problemas que hoy en día son inextricables. Las señales de las microondas y radiofrecuencia del nuevo circuito electromecánico podrían utilizarse para representar la información cuántica.
Los científicos planifican ahora combinar el nuevo circuito con bits cuánticos superconductores para crear y manipular el movimiento de objetos relativamente grandes en las escalas más pequeñas (cuánticas).
Este experimento es un inicio para enfriar el tambor hasta su “estado básico” o su estado de energía más bajo. A partir de ahí, el tambor podría manipularse para las aplicaciones citadas. Además, este control permitiría probar la línea divisoria entre el mundo clásico ordinario y el cuántico.
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Referencia bibliográfica:
J.D. Teufel, D. Li, M. S. Allman, K. Cicak, A.J. Sirois, J.D. Whittaker y R.W. Simmonds. “Circuit cavity electromechanics in the strong coupling regime”. Nature. 471 (7337), 10 de marzo de 2011. Doi:10.1038/nature09898.
Fuente: NIST/Nature
