Científicos han desarrollado un novedoso nanoacelerómetro que aprovecha los principios de la mecánica cuántica para mejorar drásticamente su sensibilidad. M. Kamba, S. Otabe y K. Funo, junto con T. Sagawa y K. Aikawa, detallan en su investigación cómo la manipulación del potencial de atrapamiento de una nanopartícula levitada, específicamente a través de una técnica denominada ‘enfriamiento cuántico’ (quantum quenching), minimiza la incertidumbre posicional y, en consecuencia, mejora la capacidad del dispositivo para detectar aceleraciones mínimas. Este avance, logrado al explorar la dinámica tras un enfriamiento rápido, acerca el rendimiento del acelerómetro al límite teórico dictado por la información de Fisher, abriendo potencialmente el camino a sensores inerciales de alta sensibilidad con aplicaciones que van desde la navegación de precisión hasta investigaciones en física fundamental.
Aikawa, detallan en su investigación cómo la manipulación del potencial de atrapamiento de una nanopartícula levitada, específicamente a través de una técnica denominada ‘enfriamiento cuántico’, minimiza la incertidumbre posicional y, en consecuencia, mejora la capacidad del dispositivo para detectar aceleraciones mínimas.
El enfriamiento rápido aumenta la sensibilidad del nanoacelerómetro al mejorar
Este avance establece una vía hacia la detección inercial cuántica, potenciada mediante la explotación de estas dinámicas de enfriamiento. El estudio se centra en una única nanopartícula levitada en el vacío, funcionando como un oscilador nanomecánico aislado que opera en el régimen cuántico. Este sistema único permite la observación y manipulación del movimiento a nivel cuántico, lo que lo hace ideal para investigar la termodinámica cuántica fuera del equilibrio a escala de una sola partícula. Los investigadores se centraron en manipular las incertidumbres en la posición y el momento a través de dinámicas fuera del equilibrio iniciadas por una modificación abrupta del potencial, permitiendo efectivamente el exprimido cuántico (quantum squeezing).
Los objetos levitados han sido indispensables durante mucho tiempo en la detección inercial, y las nano- y micropartículas levitadas en el vacío representan un candidato prometedor para los acelerómetros de próxima generación. Los acelerómetros convencionales detectan el desplazamiento inducido por la aceleración de los osciladores mecánicos, y el mismo principio se aplica a las partículas levitadas. Sin embargo, la alta frecuencia de oscilación, típicamente alrededor de 100 kHz, de las nanopartículas levitadas ópticamente dificulta enormemente la detección del desplazamiento resultante, δ = aω−2. Las demostraciones previas de gravimetría se han basado en gran medida en partículas de tamaño micrométrico con frecuencias de oscilación más bajas, por debajo de 100 Hz, mientras que la detección de fuerzas eléctricas con nanopartículas cargadas también ha tenido éxito. Mantener una ω constante hace que el movimiento de la nanopartícula sea insensible a la aceleración, pero enfriar ω por un factor de aproximadamente 40 inicia dinámicas fuera del equilibrio gobernadas por la aceleración aplicada. El análisis tanto de la posición media como de la incertidumbre posicional revela un esquema óptimo de enfriamiento y observación, con un enfriamiento rápido que induce oscilaciones sustanciales en la incertidumbre posicional, crucial para lograr una fluctuación de medición minimizada y una alta sensibilidad, como predice el exprimido cuántico.
La rotación de nanopartículas y la calibración por radiofrecuencia son cruciales
Los investigadores lograron esto haciendo girar la nanopartícula alrededor del eje z a aproximadamente 8 GHz utilizando luz circularmente polarizada introducida en el láser de atrapamiento, desviando la polarización 1,5° de la polarización lineal para mantener la rotación. Para calibrar la posición, el equipo empleó una técnica de radiofrecuencia, aplicando una modulación de frecuencia controlada al láser de atrapamiento para inducir desplazamientos conocidos en la ubicación de la nanopartícula y determinando posteriormente la proporcionalidad entre el voltaje del detector y el desplazamiento de la partícula. El trabajo caracterizó meticulosamente la dinámica de la nanopartícula tras el enfriamiento del potencial, modelándola utilizando la ecuación de Langevin. Las condiciones iniciales se establecieron asumiendo un estado térmico con un número de fonones medio de 1,25, estimado a partir de mediciones de tiempo de vuelo, definiendo los primeros y segundos momentos iniciales de la posición y el momento.
Para tiempos mayores que cero, la dinámica estuvo gobernada por un hamiltoniano a una nueva frecuencia, con los primeros momentos siguiendo una solución de oscilador impulsado clásico. La matriz de covarianza, crucial para cuantificar la incertidumbre, evolucionó a través de una rotación simplecta dependiente de la nueva frecuencia, produciendo expresiones de forma cerrada para las varianzas y covarianzas. Los científicos derivaron la Información de Fisher Cuántica (QFI) para cuantificar el límite final de la sensibilidad, expresándola como una función del tiempo y los parámetros experimentales. Al evaluar la QFI en el tiempo T1/2, la mitad de un período de oscilación en la trampa débil, el equipo obtuvo un valor de (4,96±0,35)×105 s4/m2, demostrando el potencial para una detección inercial de alta precisión.
Para simular la dinámica de las partículas, el grupo de investigación resolvió la ecuación cuántica de Langevin, teniendo en cuenta una frecuencia de trampa dependiente del tiempo proporcional a la intensidad del láser, la aceleración, la amortiguación y las fuerzas aleatorias. La intensidad del láser se modeló utilizando una combinación de funciones lineales y exponenciales, con parámetros de ajuste determinados a partir de las variaciones de intensidad observadas. El estudio refinó aún más la simulación incorporando un desplazamiento dependiente de la intensidad del mínimo de potencial óptico, asegurando una reproducción precisa de la dinámica observada con tiempos de enfriamiento cortos. Los investigadores integraron numéricamente las ecuaciones de momento que gobiernan la media y la covarianza de la posición y el momento de la partícula, utilizando condiciones iniciales derivadas de las mediciones de tiempo de vuelo. Finalmente, el equipo modeló la lectura experimental, el envolvente de la oscilación en la trampa de alta frecuencia, ajustando una suma de dos gaussianas al histograma de los desplazamientos absolutos, extrayendo la media y la desviación estándar para caracterizar la distribución del desplazamiento.
Las dinámicas de enfriamiento mejoran la sensibilidad del acelerómetro de nanopartículas al aumentar
Estos resultados demuestran una vía hacia la detección inercial mejorada mediante la explotación de las dinámicas de enfriamiento. Los experimentos revelaron que la manipulación del potencial de atrapamiento de una nanopartícula levitada permite un control preciso sobre su comportamiento mecánico cuántico. El equipo midió el movimiento de la nanopartícula después de cambiar abruptamente el potencial de atrapamiento, encontrando que un enfriamiento rápido minimiza la incertidumbre posicional. Esta reducción de la incertidumbre es crucial, ya que impacta directamente en la sensibilidad del acelerómetro. El avance ofrece una sensibilidad que se acerca al límite de información de Fisher cuántica, lo que indica una restricción fundamental en la precisión de la medición.
Los científicos registraron que la frecuencia de oscilación de la nanopartícula levitada ópticamente era de aproximadamente 250 kHz, un valor adecuado para el enfriamiento del estado fundamental. Las mediciones confirman que el radio de la nanopartícula es de 145 nm con una masa de 2,9x 10−17 kg, proporcionando una caracterización precisa del sistema. El equipo demostró que enfriar la frecuencia de oscilación por un factor de aproximadamente 40 desencadena dinámicas fuera del equilibrio gobernadas por la aceleración aplicada. Las pruebas demuestran que, al controlar cuidadosamente el proceso de enfriamiento y el momento de la observación, la fluctuación de la medición se puede minimizar, logrando una alta sensibilidad.
El análisis tanto de la posición media como de la incertidumbre posicional durante el enfriamiento reveló un esquema óptimo para detectar la aceleración. Las oscilaciones sustanciales observadas en la incertidumbre posicional son similares a las cruciales para el exprimido cuántico, lo que permite la selección de una instancia para una fluctuación de medición mínima. Además, la investigación indica que las colisiones de gas de fondo limitan actualmente la sensibilidad, lo que sugiere vías para futuras mejoras a través de condiciones de vacío mejoradas.
Un atrapamiento más rápido mejora la sensibilidad a nanoescala en la detección molecular
Los hallazgos revelan que el control preciso del tiempo de medición, considerando estas dinámicas fuera del equilibrio, es crucial para lograr una sensibilidad a largo plazo óptima, más allá de simplemente maximizar la intensidad de la señal. Los experimentos confirmaron que el origen de estas dinámicas proviene de la proyección de la gravedad a lo largo de la dirección de medición. Aunque la sensibilidad lograda es prometedora, los autores reconocen que la estabilidad de la medición a largo plazo está actualmente limitada por las lentas desviaciones dentro de la configuración experimental. El trabajo futuro podría centrarse en mejorar aún más la sensibilidad mediante el empleo de potenciales de enfriamiento aún más superficiales y la reducción de la presión del gas de fondo.
