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Sep 03, 2023

La trampa magnética mantiene levitada y estable una microesfera superconductora

Puede que no parezca gran cosa, pero esta diminuta partícula que levita podría ser la clave

Puede que no parezca mucho, pero esta pequeña partícula que levita podría ser la clave para una nueva generación de sensores cuánticos. Mediante el uso de una trampa magnética cuidadosamente diseñada, los físicos de Suecia y Austria lograron levitar una esfera de material superconductor de 48 μm de diámetro y mantenerla lo suficientemente estable como para caracterizar su movimiento, un logro que describen como un "primer paso fundamental" para utilizar la esfera. posición para crear estados cuánticos. Dichos estados cuánticos basados ​​en la posición podrían tener aplicaciones en varias áreas, incluida la metrología y la búsqueda de la misteriosa materia oscura que se cree que constituye el 85% de la masa del universo.

Para levitar su microesfera, el equipo necesitaba superar tanto la gravedad como la atractiva fuerza de van der Waals que, de otro modo, mantendría la microesfera pegada a la superficie. Hicieron esto mediante la construcción de una trampa magnética basada en un chip a partir de cables hechos de niobio, que se convierte en un superconductor a bajas temperaturas. Esta trampa crea el "paisaje" del campo magnético necesario para levitar la microesfera superconductora a través del mecanismo conocido como expulsión del campo de estado de Meissner, en el que las corrientes que surgen en el superconductor se oponen completamente al campo magnético externo.

"La clave de nuestro éxito fue lograr una fuerza de campo magnético lo suficientemente alta como para iniciar la levitación y mantenerla estable", explica el líder del equipo, Wilef Wieczorek, del Instituto de Tecnología Chalmers en Suecia. "Para eso, tuvimos que transportar 0,5 A de corriente a una temperatura milikelvin a través de la configuración sin calentar el experimento".

La levitación se mantuvo estable durante un período de días. Durante este tiempo, los investigadores de Chalmers y el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia de Ciencias de Austria midieron el movimiento del centro de masa de la partícula utilizando un magnetómetro integrado de dispositivo de interferencia cuántica superconductora de CC (SQUID). Hicieron esto mientras ajustaban continuamente la frecuencia del potencial de captura magnética entre 30 y 160 Hz, lo que les permitió caracterizar la amplitud del movimiento de la partícula en función de estos cambios de frecuencia.

Wieczorek y sus colegas dicen que su experimento podría hacer posible el desarrollo de mejores sensores de fuerza y ​​aceleración. "Nuestro trabajo es un primer paso crítico para crear estados cuánticos en la posición de la partícula del tamaño de un micrómetro", dice Wieczorek a Physics World. "Abre el camino para acoplar el movimiento de la partícula a los circuitos cuánticos superconductores, lo que facilitaría la generación del estado cuántico del movimiento de las partículas".

El sensor cuántico reduce el espacio de parámetros de la materia oscura

A largo plazo, Wieczorek dice que la plataforma del equipo podría convertirse en un sensor preciso de fuerza y ​​aceleración con aplicaciones en búsquedas de materia oscura. Los instrumentos utilizados en tales búsquedas deben ser muy sensibles para tener alguna esperanza de detectar cambios debidos a la materia oscura, que se cree que interactúa con la materia normal solo débilmente, a través de la fuerza de la gravedad.

Wieczorek y sus colegas, que informan sobre su nueva técnica en Physical Review Applied, dicen que ahora intentarán reducir la amplitud de movimiento de sus microesferas mejorando varios aspectos técnicos de sus experimentos. Esto podría incluir la instalación de aislamiento criogénico pasivo y el uso de técnicas de enfriamiento basadas en retroalimentación que se emplean de manera rutinaria en el campo de la optomecánica de cavidades.