Durante más de un siglo, la física cuántica ha descrito un universo donde las partículas pueden comportarse de maneras que resultan completamente extrañas para nuestra experiencia cotidiana. Pueden encontrarse en superposición de estados, atravesar barreras aparentemente infranqueables y mantener conexiones que desafían nuestra intuición clásica. Pero hay una pregunta que continúa desconcertando a los científicos: si esas reglas gobiernan toda la materia, ¿por qué nunca vemos una mesa, una piedra o cualquier objeto cotidiano en dos lugares al mismo tiempo?
Un equipo del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), en Japón, acaba de dar un paso hacia la posibilidad de investigar experimentalmente esa frontera.
Los investigadores consiguieron mover un dispositivo de un centímetro de tamaño y 128 miligramos de masa mediante una fuerza generada por los estados cuánticos de los electrones de un diamante. El movimiento fue diminuto, de apenas 100 nanómetros, pero suficiente para demostrar que un efecto cuántico puede controlar mecánicamente un objeto muchísimo mayor que las partículas con las que normalmente trabajan estos experimentos.
El trabajo, publicado en Science Advances, abre una vía experimental para estudiar qué ocurre cuando intentamos llevar los fenómenos cuánticos a escalas cada vez más grandes.
Un diamante, un láser verde y una fuerza que parecía demasiado pequeña
El montaje experimental parece relativamente sencillo, aunque esconde una ingeniería extraordinariamente precisa. Una placa de grafito de aproximadamente un centímetro permanece suspendida sobre varios imanes gracias al diamagnetismo, una propiedad que permite a ciertos materiales experimentar fuerzas de repulsión frente a campos magnéticos. De esa placa cuelga una varilla de fibra de carbono que sostiene un diamante de unos tres milímetros. Y precisamente dentro de ese cristal está la clave del experimento.
Los científicos utilizaron los llamados centros de nitrógeno-vacante, pequeños defectos en la estructura del diamante donde un átomo de nitrógeno sustituye a uno de carbono y queda un espacio vacío a su lado. Estos defectos contienen electrones cuyos estados de espín pueden controlarse mediante luz. El espín es una propiedad cuántica relacionada con el magnetismo, aunque no debe confundirse con una rotación física convencional del electrón.
Cuando los investigadores iluminaron el diamante con pulsos de un láser verde, consiguieron modificar los estados de esos electrones y, con ellos, la respuesta magnética del material.
El resultado fue una fuerza extraordinariamente pequeña que empujaba el diamante hacia el imán situado debajo. Según explica el OIST en su comunicado oficial, esa fuerza fue suficiente para provocar oscilaciones detectables en todo el dispositivo.
El truco estuvo en hacer que miles de millones de electrones trabajaran juntos
La fuerza ejercida por los espines es extremadamente débil. Incluso sumando la acción de miles de millones de centros de nitrógeno-vacante, el equipo necesitaba amplificar su efecto. Para conseguirlo, recurrieron a la resonancia.
Los pulsos luminosos se sincronizaron con la frecuencia natural del dispositivo, aproximadamente 17,6 oscilaciones por segundo. Es un principio similar al de empujar un columpio: pequeños impulsos, aplicados en el momento adecuado, pueden producir movimientos cada vez mayores.
Las fuerzas medidas superaron los cinco nanonewtons, una magnitud equivalente a cinco milmillonésimas de newton. Los investigadores registraron el desplazamiento mediante un interferómetro láser, un instrumento capaz de detectar cambios de posición extremadamente pequeños. También realizaron pruebas para descartar explicaciones alternativas. Cuando retiraron el imán responsable del gradiente magnético, la señal prácticamente desapareció. Lo mismo ocurrió al sustituir el láser verde por uno infrarrojo.
Estas comprobaciones respaldan que el movimiento procedía de la fuerza asociada a los estados de espín, y no simplemente del calentamiento producido por la iluminación. El resultado representa un salto de entre ocho y nueve órdenes de magnitud respecto a las masas utilizadas en experimentos espín-mecánicos anteriores, según el equipo japonés.
El siguiente objetivo es mucho más ambicioso y podría ayudarnos a entender la gravedad
Aquí aparece la gran diferencia entre lo que se ha conseguido y lo que los investigadores quieren demostrar. El dispositivo se mueve debido a una fuerza de origen cuántico, pero su movimiento sigue siendo clásico. No se ha demostrado que el objeto esté simultáneamente en dos posiciones ni que la gravedad tenga naturaleza cuántica.
Lo que sí existe ahora es una plataforma experimental con la que intentar dar ese salto. El objetivo futuro consiste en preparar estados de superposición espacial en objetos suficientemente masivos como para investigar su interacción gravitatoria. Esto podría aportar información a uno de los mayores problemas abiertos de la física: cómo compatibilizar la mecánica cuántica con la relatividad general de Einstein.
El principal obstáculo será controlar las perturbaciones ambientales. El calor, las vibraciones y las moléculas del aire pueden destruir rápidamente la coherencia necesaria para mantener una superposición cuántica. Por eso, los siguientes pasos incluyen trabajar en condiciones de alto vacío y mejorar tanto la suspensión mecánica como el control de los espines.
El sistema también podría utilizarse en el futuro para desarrollar sensores extraordinariamente sensibles, con aplicaciones potenciales en la búsqueda de materia oscura o el estudio de fenómenos gravitatorios. De momento, esas posibilidades siguen siendo objetivos de investigación.
Lo verdaderamente importante es que los científicos han conseguido conectar dos escalas que normalmente parecen separadas: la de los estados cuánticos de electrones individuales y la del movimiento de un objeto visible. Todavía no han conseguido crear un objeto que esté en dos lugares a la vez. Pero acaban de demostrar que existe una manera de empezar a construir el experimento que podría hacerlo posible.
