Una peonza cuántica en una trampa magnética exprés
Una diminuta esfera magnetizada flota en el vacío, sostenida por campos invisibles. Comienza a girar alrededor del eje del campo magnético, igual que una peonza a la que se le ha dado un ligero impulso. Esto es la precesión. Pero cuando la esfera se vuelve muy pequeña, entran en juego las leyes cuánticas. En un nuevo trabajo, los físicos han descrito el comportamiento de una peonza magnética que flota libremente —un giroscopio ferromagnético levitante— en el lenguaje de la mecánica cuántica.
El protagonista aquí es el momento angular total a lo largo del campo magnético. Se compone del espín propio de la partícula y de su rotación mecánica. Esta cantidad está cuantizada: solo toma valores estrictamente definidos, múltiplos de la constante de Planck. Como resultado, el giroscopio presenta estados de precesión discretos, como los escalones de una escalera por los que el sistema puede subir o bajar absorbiendo o emitiendo ondas de radio. Junto a ellos aparecen también niveles cuánticos de oscilación —las libraciones—, similares a las oscilaciones de un péndulo.
Sorprendentemente, la precesión se mantiene incluso en campos fuertes, cuando el momento mecánico asociado supera con creces el espín propio de la partícula. Esto significa que el comportamiento cuántico no se esconde en el microcosmos, sino que puede manifestarse en objetos relativamente grandes. Los autores han demostrado cómo, mediante pulsos de radio, se puede conmutar el giroscopio entre diferentes estados cuánticos, controlar su inclinación e incluso acoplar la precesión con la libración, igual que en la espectroscopia láser, pero para la rotación.
Este sistema promete convertirse en un sensor ultrapreciso: cualquier influencia externa mínima desplazará los niveles cuánticos, y ese desplazamiento puede registrarse. Se trata de detectar campos magnéticos débiles, efectos gravitatorios e incluso partículas hipotéticas de materia oscura. La peonza cuántica se convierte en una herramienta universal para la física fundamental.
El momento de inercia de un giroscopio levitante puede ser tan pequeño que el cuanto de energía de precesión ħ/I resulta comparable a la energía térmica a temperatura ambiente: los efectos cuánticos se vuelven apreciables sin necesidad de un enfriamiento extremo.
En la novela «El fin de la eternidad» de Isaac Asimov, los giroscopios servían de base para los viajes en el tiempo; quizás sus análogos cuánticos ayuden a captar señales de otras dimensiones.