Un imán del tamaño de un grano de arroz flota en el vacío sin tocar las paredes. Lo sostiene el campo magnético de una trampa superconductora: un anillo enfriado a un estado en el que la corriente fluye sin resistencia. La levitación sirve para eliminar la fricción: sin ella, incluso un empujón débil hace que el imán oscile durante mucho tiempo, como un diapasón después de ser golpeado.
Pero para mediciones precisas, incluso esa vibración residual es una molestia. Se elimina con retroalimentación: una bobina superconductora detecta los movimientos del imán, y una computadora, a través de un amplificador, envía una señal a un empujador piezoeléctrico. Este sacude la trampa en contrafase, como si, sentado en un bote, te movieras contra la ola para calmarla. Así se logró reducir la amplitud de las oscilaciones a dos picómetros, cien veces menos que el diámetro de un átomo.
La temperatura de movimiento cayó por debajo de diez milikelvins. Para comparar: en el espacio interestelar hace más calor, alrededor de tres kelvins. Todo el experimento está oculto en un criostato de dilución que amortigua la vibración externa en cien mil millones de veces. En el futuro, se espera enfriar este sistema hasta el límite cuántico, cuando el imán oscile solo debido al principio de incertidumbre y no por empujones externos. Esto abriría el camino a detectores de gravedad que puedan sentir la atracción de objetos del tamaño de un grano de arena.
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2605.28479
Due to their exceptional isolation from the environment, magnetically levitated particles are explored as extremely sensitive mechanical sensors. For future gravity experiments on quantum superpositions, such systems need to be cooled close to their ground state. To demonstrate the combination of state of the art vibration isolation, milligram levitated high Q mechanical resonators and position detection with low noise, we present linear feedback cooling of a magnetically levitated gravity sensor to below 2 picometer amplitude and below 10 millikelvin mode temperature for two translational modes (the x- and y-mode) simultaneously. The sensor is a levitating permanent magnet in a type I superconducting trap, where its six resonance frequencies are measured with a superconducting coil coupled to a DC SQUID. This signal is measured with a lock-in amplifier and a feedback signal is sent to a piezoelectric actuator, allowing the cooling of resonant modes at 50.6 and 68.0 Hz simultaneously. These two translational modes have Q factors of $$3.8 \cdot 10^6$$ and $$5.5 \cdot 10^6$$ respectively. The experiment is mounted inside a dry dilution refrigerator where it is vibrationally attenuated with 110-130 dB at these frequencies. In this work, we discuss future improvements on the setup which may enable quantum ground state cooling on a magnetically levitated particle, that has previously been shown to be a gravitational sensor.
La amplitud de oscilación de dos picómetros es tan pequeña que, si el imán fuera del tamaño de la Tierra, su movimiento sería menor que el grosor de un cabello humano.