La explicación de “Unos físicos observan propiedades cuánticas en el mundo de los objetos macroscópicos”

El artículo técnico A. D. O’Connell et al., “Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator,” Nature, advance online publication 17 March 2010, describe un experimento desarrollado en el grupo de investigación de Andrew Cleland  (Universidad de California, Santa Bárbara, EEUU) ha tenido una gran repercusión en todos los medios. Por ejemplo, ha llegado a portada en Menéame como “Físicos observan propiedades cuánticas en el mundo de los objetos,” meneado por mezvan. Creo que debo escribir una entrada en este blog, hoy, día del padre, para explicar qué han logrado estos investigadores y por qué es un resultado importante, quizás uno de los resultados más interesantes en mecánica cuántica de los últimos años, en mi opinión, claro. Máxime cuando pocos relatos de esta noticia en los medios dan en la diana. El único que yo he visto es la entrada Lubos Motl, “A huge quantum resonator,” The Reference Frame, March 18, 2010.

Explicación 1. ¿Qué han logrado los investigadores?

Circuito que acopla el resonador y un cubit superconductor para realizar la medida del estado cuántico del resonador enfriado. El cubit SQUID se comporta como cabría esperar para su resonancia con otro sistema cuántico. (C) Nature

El número de estados alcanzables para un sistema físico dado depende de la temperatura. Un sistema macroscópico, como un sistema mecánico clásico, tiene infinidad de grados de libertad alcanzables (prácticamente un número continuo de estados) a temperatura ambiente. La probabilidad de que un estado sea alcanzable depende de la temperatura. El cero absoluto de temperaturas es imposible de alcanzar, pero en el cero absoluto el sistema clásico podría alcanzar sólo un único estado cuántico, el de mínima energía. A una temperatura pequeñísima, muy próxima al cero absoluto, el número de estados que puede alcanzar el sistema se puede reducir a unos pocos, por ejemplo, sólo dos (en cuyo caso el sistema clásico se comportará como un cubit o bit cuántico); el tercer estado tendría una probabilidad extremadamente pequeña. ¿A qué temperatura hay que enfriar el sistema clásico? Un sistema mecánico clásico que vibre con una frecuencia f se comporta de forma cuántica cuando se enfría a una temperatura T << h f / kB, donde f  es la frecuencia, h la constante de Planck y kB la constante de Boltzmann. Una frecuencia audible de f = 1 kHz, requiere T<< 50 nK. Frecuencias más altas permiten una temperatura más alta. El grupo de Cleland ha utilizado un resonador micromecánico que vibra con una frecuencia de 6 GHz (gigahercios), en el régimen de microondas, que muestra efectos cuánticos por debajo de ~0’1 K. Ellos lo han enfriado a 25 mK, una temperatura muy fácil de conseguir en laboratorio hasta que se comporta de forma cuántica.

Resonador micromecánico al microscopio electrónico. El grosor de la lengueta de Aluminio es de 740 nm. (C) Nature

El resonador mecánico piezoeléctrico utilizado por el grupo de Cleland (ver la figura) tiene una lengueta de unos 30 μm de largo, unos 20 μm de ancho y unos 0’7 μm de grosor (740 nm. en 4 capas de abajo a arriba de 150 nm SiO2, 130 nm Al, 330 nm AlN y 130 nm Al). Un cálculo burdo utilizando la densidad del aluminio y el número de Avogadro nos dice que el resonador tiene unos 20 billones de átomos. A temperatura ambiente, cada átomo puede estar en unos cien estados cuánticos (el Aluminio tiene 3 electrones de valencia 3s2 3p1), por lo que este resonador puede alcanzar unos mil billones de estados cuánticos posibles con probabilidad no despreciable. Enfriado a 0’1 K este sistema micromecánico en vibración se encuentra en su estado fundamental con una probabilidad del 93% (estimado por los autores del artículo). 

Enfriado a 0’1 K se puede lograr que el resonador actúe como un gato de Schrödinger que se encuentra a la vez “vivo” y “muerto,” es decir, se puede lograr que el resonador se encuentre en un estado de superposición entre sus dos primeros estados posibles (el fundamental y el siguiente). El grupo de Cleland ha logrado observar este hecho, un estado de superposición cuántico para un objeto macroscópico. En el artículo técnico se afirma “This demonstration provides strong evidence that quantum mechanics applies to a mechanical object large enough to be seen with the naked eye.” ¿Se puede ver a simple vista el resonador? Obviamente no. Se necesita un microscopio electrónico. ¿Se puede ver a través del microscopio electrónico el resonador en un estado tipo gato de Schrödinger? Obviamente no. Mirar el resonador en un estado de superposición (enviar fotones que choquen contra él y reboten) destruye el estado de superposición. Lo mismo ocurre con electrones. El estado de superposición se destruye cuando lo miramos a través del microscopio electrónico.

¿Cómo han observado los investigadores el comportamiento cuántico de este sistema macroscópico? Acoplando el resonador con un cubit superconductor de tipo SQUID, basado en diodos Josephson. El grupo de Cleland tiene gran experiencia en el uso de este tipo de cubits. La medida por espectroscopia de microondas del estado del cubit superconductor permite observar si el resonador mecánico se comporta como otro cubit. El proceso tiene que ser muy rápido. El cubit superconductor permite medir y controlar el estado del cubit mecánico. El experimento no es fácil. Un estado de superposición de un cubit superconductor decae (se relaja por decoherencia) en unos ≈ 500 ns, sin embargo, el estado de superposición del resonador mecánico se relaja muy rápido, sólo en ≈ 17 ns. Para lograr excitar el sistema mecánico del estado fundamental al siguiente, generar un fonón, es necesario actuar más rápidamente. El grupo de Cleland ha excitado un solo fonón en el resonador mecánico con un pulso en el cubit superconductor de ≈ 3’8 ns. De eesta forma, han observado una transición entre el estado fundamental |g> (ground state) y un estado excitado, |g> ↔ |e>. Para intepretar correctamente el resultado del experimento han realizado simulaciones por ordenador de lo que deberían observar si el resonador alcanza un estado de superposición y lo que han observado coincide con lo esperado.

Explicación 2. ¿Cómo se interpreta lo que han logrado?

El dogma actual en la física moderna dice que la mecánica clásica es un caso particular de la mecánica cuántica. Todos los objetos del universo son cuánticos y se comportan de forma cuántica, pero no vemos objetos cuánticos macroscópicos a nuestro alrededor, ¿por qué? Un sistema cuántico con muchos estados alcanzables se comporta como si fuera un sistema clásico gracias a un proceso técnico denominado decoherencia. Observamos los fenómenos cuánticos sólo en sistemas que tienen pocos estados alcanzables. Normalmente estos sistemas son objetos microscópicos, pero nada prohíbe que un objeto macroscópico muestre también fenómenos cuánticos. Eso sí, de alguna manera hay que limitar el número de estados que puede alcanzar. Lo más sencillo, enfriarlo cerca del cero absoluto. El trabajo de Andrew Cleland ha logrado colocar en un estado de superposición cuántica (estado tipo gato de Schrödinger) a un objeto de billones de átomos (el anterior récord se había logrado con fullerenos de sólo 60 átomos). En realidad, no es el objeto el que está en superposición cuántica si no las vibraciones de dicho objeto, que aunque pueda parecer que es lo mismo, no es exactamente lo mismo. En cualquier caso es un logro técnicamente muy difícil.

La decoherencia cuántica es responsable del límite entre lo cuántico y lo clásico ya que determina cuándo la noción de probabilidad cuántica (responsables de las interferencias cuánticas) se reduce a la noción de probabilidad clásica (que los físicos usamos en mecánica estadística y los ingenieros en termodinámica). No hay una frontera clara entre el mundo clásico y el cuántico. Todo depende de la velocidad con la que actúe la decoherencia en el sistema. Esta velocidad se puede calcular mediante simulaciones por ordenador en muchos sistemas sencillos y depende de la temperatura y de otras fuentes de ruido que afecten al sistema. Para un sistema clásico es prácticamente imposible calcular el tiempo de decoherencia, pero se puede estimar su orden de magnitud y es extremadamente rápido. Mucho más rápido que el tiempo más corto que podemos concebir (intervalo de tiempo en la escala de Planck). Por ello, los sistemas macroscópicos no muestran efectos cuánticos a temperatura ambiente y se comportan como si fueran clásicos.

¿Dónde está la frontera entre los mundos cuántico y clásico? No hay tal frontera. No hay nada parecido a una transición de fase (como la que sufre el agua cuando se solidifica en hielo). La frontera es sutil y depende de muchísimos factores, como la temperatura, las fuentes de ruido ambiental, el número total de estados alcanzables por el sistema, etc.

Si has leído hasta aquí, lo que me gustaría que recordaras es que “La realidad que nos rodea es cuántica, aunque parezca clásica.”

PS (31 marzo 2010): Ya se ha publicado el artículo en revista, como A. D. O’Connell et al., “Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator,” Nature 464: 697-703, 1 April 2010. Merece la pena leer a Markus Aspelmeyer, “Quantum mechanics: The surf is up,” News and Views, Nature 464: 685-686, 1 April 2010.

7 pensamientos en “La explicación de “Unos físicos observan propiedades cuánticas en el mundo de los objetos macroscópicos”

  1. Saludos.
    Felicidades.
    Aunque los geroglifos no me son mu comunes, me encantó la frase que comienza:
    “El dogma actual en la física moderna ….”
    Que pena que no se apoye en realidad el estudio de las resonancias en microtubulos de carbono en el citoesqueleto celular.
    Existia una red española que iba a celebrar el centenario de Pierre Teilhard d`Chardin y de Aberto Einstein, aqui en Mexico, en la U de Anahuac, no se hizo.
    Creo que la topologia, como rama de la Geometria, hija de la Mathematica nieta de la Lógica (Hija Natural de la Ratio) y esta madre de la Filosofia, nos dará las “Ratios” necesarias para avanzar cuando se logre una topologia fractal-holografica alter-entrópica de la dirección de la evolucion de “Lo ser Conciente” en la medida-rationalizacion de los fenomenos oscilantes (De los cuales “emergemos”, hacia el Omega Teilhardiano) en todos los sistemas autoregulables_homeostaticos memóricos en “cuantos de conceincia memorica holofractalmente ocscilantes y direccionados”.
    Existe por ahi un articulo de la evolucion de los cristales minerales.
    Tal vez te guste revisar:
    http://www.terapianeural.com
    Saludos.

  2. Muy interesante la entrada. Cuando estaba leyéndola, y especialmente con tu última afirmación “La realidad que nos rodea es cuántica, aunque parezca clásica.” se me vino a la mente unas conferencias en óptica cuántica a las que asistí hace unas semanas. En ellas el Prof. J. H. Eberly nos explicaba como había conseguido encontrar una explicación para la doble ionización secuencial, (se saca un electrón de un átomo mediante un láser, se acelera por acción del laser, se le hace colisionar de nuevo, y arranca otro electrón quedando el átomo doblemente ionizado) que es un tema muy complicado mediante un razonamiento puramente clásico.

    El argumentaba que quizás estemos “estirando” la mecánica cuántica demasiado hacia regiones en las que quizás no es necesaria. Para mí fue algo revelador pues si hubiera tenido que apostar, siempre hubiese dicho que ese proceso tan complejo (hay interferencias entre trayectorias, procesos de segundo orden,…) es sólo describible cuánticamente. Aún no están estos resultados publicados pero en breve supongo que estarán accesibles.

    Así que a tu última afirmación yo añadiría:

    “La realidad que nos rodea es cuántica, aunque parezca clásica. O quizás no.”

    Un saludo.

  3. buenas noticias para los modelos nolineales cuanticos, bien por los modelos de reduccion dinamica o el modelo de Elze, o Singh o Hansson y tal vez Zloshchastiev o Svetlichny, quien lo logre habra unificado la fisica.
    otra evidencia mas, aparte de los experimentos con los fotones de alta energia de origen cosmico.

  4. Me encanta lo mucho que sabeis los que haceis esta página. Es una suerte que os dediqueis a divulgar, y una pena que no se puedan bajar todos los archivos gratis

    • Ces, puedes sustituir “los que hacéis” por “el que hace” y “sabéis” por “aparenta saber.” Yo divulgo para aprender, no para demostrar lo que sé (que es nada de todo y todo de nada).

  5. No entiendo bien,si la fisica cuantica es aplicable a objetos macroscopicos quiere decir que si no vemos algo cambia? Como por ejemplo un sillon o la luna? Y que lo hace volver a la forma en lo que la vemos y no a otra de tantas posibilidades?

  6. Se entiende que un objeto macro como el sillón o la luna no es lo mismo que un electrón, que, como es sabido, no se puede medir al mismo tiempo su momento y posición. Si estás sentado/a en una silla ante tu ordenador y decides levantarte para ir a la cocina y preparar un café, la silla seguirá en su lugar aunque no la veas en ese momento. Ahora bien, la silla y la luna están formadas por átomos y electrones y, por tanto, su estructura tiene un aspecto cuántico. Si observásemos al sillón y la luna con unas “gafas cuánticas” veríamos una especie de ondulación en su estructura causada por la gravedad y por el movimiento oscilante característico de la materia ordinaria. Por tanto, mientras más pesado/gravitatorio sea el objeto más probabilidad hay de que permanezca en su sitio con independencia de que lo veamos o no. No obstante, objetos masivos como las estrellas y los planetas también se mueven: rotan y se trasladan por el universo. Hay varios libros de divulgación que te pueden ayudar a entender este asunto y supongo que en internet también habrá material al respecto. Saludos.

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