Físics demostren l’expansió controlada del paquet d’ones quàntic d’una nanopartícula levitada

La teoria de la mecànica quàntica prediu que, a més de mostrar un comportament semblant al dels corpuscles, partícules de totes les mides també poden presentar propietats ondulatòries. Aquestes propietats es poden representar mitjançant la funció d’ona, una descripció matemàtica dels sistemes quàntics que delimita els moviments d’una partícula i la probabilitat que es trobi en una posició específica.

Tot i que els físics han aconseguit preparar les funcions d’ona de moltes partícules petites, preparar les de partícules més grans és un gran repte. Això es deu principalment al fet que, en partícules de mida més gran, el comportament ondulatori és més susceptible de ser destruït per interaccions no desitjades que no pas el seu comportament clàssic, semblant al de les partícules.

Els investigadors de l’ETH de Zuric i de l’ICFO, el Dr. Andreu Riera-Campeny i el Prof. ICREA a l’ICFO Oriol Romero-Isart, van presentar recentment un nou mètode que podria ajudar a delinear la funció d’ona de partícules de mida més gran. L’enfocament proposat, descrit en un article publicat a Physical Review Letters, es basa en una tècnica coneguda com a compressió quàntica (quantum squeezing). Amb ella, van poder augmentar la longitud de coherència, que és la distància al llarg de la qual el comportament ondulatori d’una nanopartícula levitada òpticament es manté ben definit.

"Una de les demostracions més belles de la física quàntica és la interferència d’ones de matèria", va comentar a Phys.org Massimiliano Rossi, primer autor de l’article. "Aquest fenomen mostra que els objectes massius, que normalment esperaríem que es comportessin com a partícules, també poden comportar-se com a ones, com les de l’aigua. En teoria, aquest comportament ondulatori no només s’aplica als àtoms, sinó també a objectes molt més grans i ordinaris".

"Les nanopartícules en són un exemple perfecte", continua. "Estan per tot arreu a la natura, tenen una mida similar a la dels virus, i les solem considerar com petites partícules de pols. Però si n’agafes una de sola, l’aïlles extremadament bé del seu entorn i controles el seu moviment, la mecànica quàntica prediu que també hauria de produir-se una interferència".

Múltiples grups de recerca especialitzats en la levitació optomecànica de partícules han intentat portar aquesta idea a la pràctica experimental durant anys. Fins ara, però, l’observació d’interferència en nanopartícules individuals ha resultat difícil d’assolir.

"Una dels fites clau aconseguida fa uns anys va ser refredar una nanopartícula fins al seu estat fonamental quàntic, cosa que significa situar-la en un paquet d’ones ben definit de moviment", explicà Rossi. "El problema és que aquest paquet d’ones és molt estret, de només uns quants picòmetres d’ample. Per observar interferència, necessitaries una reixa de difracció d’aquestes mateixes diminutes dimensions, la qual cosa és difícil, o fins i tot impossible, de construir. D’aquí va sorgir la idea darrere d’aquest estudi: en lloc de fabricar una reixa més petita, per què no fer més gran el paquet d’ones?"

Com allargar el paquet d'ones d'una nanopartícula

L’objectiu principal de l’estudi va ser intentar augmentar el paquet d’ones quàntic del moviment d’una nanopartícula. Si l’equip aconseguís expandir prou aquest paquet d’ones, es podria obrir la porta a experiments d’interferència amb nanopartícules levitades òpticament.

"El principi bàsic és senzill i prové directament dels llibres de text", comentà Rossi. "En un potencial harmònic, com el d’unes pinces òptiques, un paquet d’ones gaussià roman fortament confinat (uns 10 pm en el nostre cas). Però si s’elimina de cop el potencial, hi ha deslocalització: el paquet d’ones s’expandeix amb el temps, augmentant la seva ‘mida’. Per descomptat, en la pràctica no podem simplement apagar la trampa, perquè aleshores la nanopartícula cauria".

Per superar aquest repte, Rossi i els seus companys van afeblir temporalment la trampa òptica que utilitzaven. En fer-ho, van observar que el paquet d’ones de la partícula s’expandia inicialment, però després era comprimit de nou per la trampa, recuperant la seva mida original.

"El truc és fer que la trampa torni a ser forta abans que això passi", assenyalà Rossi. "D’aquesta manera, el paquet d’ones conserva la seva mida expandida, donant-nos una major deslocalització. Amb aquest mètode, vam aconseguir augmentar la deslocalització de la nanopartícula fins a 70 pm, més del doble de la longitud de coherència de l’estat fonamental. En termes absoluts, això encara és massa petit per a experiments de difracció, però demostra que la idea funciona".

Amb el seu mètode, els investigadors van aconseguir superar l’estret límit de l’estat fonamental reportat en experiments anteriors i ampliar activament el paquet d’ones quàntic d’una nanopartícula de manera controlada. En principi, el seu enfocament també es podria escalar, cosa que en última instància permetria fer experiments d’interferència amb objectes massius.

"Si repetim el procés amb múltiples polsos, la deslocalització pot créixer exponencialment, sempre que la decoherència es mantingui baixa", va dir Rossi. "Això fa realista arribar algun dia a longituds de coherència comparables a la pròpia mida de la nanopartícula. Aconseguir-ho seria un gran pas cap a la interferència d’ones de matèria amb objectes massius".

El treball recent de Rossi i els seus col·legues podria inspirar aviat altres físics a idear enfocaments similars per aconseguir la deslocalització quàntica de partícules levitades. Com a part dels seus propers estudis, els investigadors esperen desenvolupar estratègies eficaces per suprimir la decoherència en el sistema òptic que van utilitzar.

"En aquest moment, la principal font de decoherència prové dels fotons dispersats per les pinces òptiques", va afegir Rossi. "Per superar això, al nostre grup estem desenvolupant un enfocament híbrid de levitació: combinarem les pinces òptiques amb una trampa de quadrupol elèctric, semblant a les utilitzades per a ions".

Aquest tipus de trampes poden proporcionar confinament amb taxes de decoherència extremadament baixes, molt menors del que és possible únicament amb pinces òptiques. Això permetria augmentar encara més la deslocalització, amb l’objectiu final d’assolir la interferència quàntica amb objectes veritablement macroscòpics.

---

This article was originally published on Phys.org by Ingrid Fadelli and appears here as an authorized reprint; read the original at https://phys.org/news/2025-09-physicists-expansion-quantum-wavepacket-levitated.html

Referència:

M. Rossi et al, Quantum Delocalization of a Levitated Nanoparticle, Physical Review Letters(2025). DOI: 10.1103/2yzc-fsm3.