Una nanopartícula levitada detecta colisiones con átomos individuales

Un equipo de investigadores de Estados Unidos ha demostrado que una nanopartícula de sílice levitada en una trampa óptica puede servir como un sensor de presión muy sensible, capaz de detectar colisiones con átomos y moléculas individuales. El trabajo, publicado en Physical Review Letters, nació del interés del grupo por desarrollar nuevos detectores de neutrinos y de materia oscura, y podría dar lugar a un sensor de presión de fondo que funcione junto a otros sensores optomecánicos.

Según explica Yu-Han Tseng, de la Universidad de Yale, un átomo que choca con otro átomo normalmente desaparece de la trampa, porque el impacto es demasiado grande para retenerlo. Ese es el mecanismo principal que limita la vida útil de los experimentos con pinzas de átomos. En el nuevo estudio, Tseng y sus colegas del grupo de David Moore, junto con un físico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, atraparon una nanoesfera de sílice de 50 nm de radio con un haz láser enfocado dentro de una cámara de vacío. La partícula oscilaba de forma armónica y natural, y los investigadores inyectaron pequeñas cantidades de distintos gases. Las colisiones provocaban perturbaciones pequeñas en ese movimiento, sin expulsar a la esfera. Al medir esas perturbaciones, el equipo pudo detectar los impulsos de cada choque y, a partir de ellos, inferir la presión del gas.

Los investigadores probaron tres gases —kriptón, xenón y hexafluoruro de azufre— y fueron aumentando la presión hasta unos 1,5 nbar, muy por debajo de la presión atmosférica, que es de aproximadamente 1 bar. Para cada gas tomaron datos a siete presiones distintas y comprobaron que la tasa de choques aumentaba con la presión y coincidía en líneas generales con la teoría cinética de los gases. Según Clarke Hardy, colega de Tseng en Yale, les encantaría que alguien llevara esto más lejos y lo convirtiera en un sensor de presión práctico que se pudiera integrar en otro sistema; sin embargo, el objetivo principal de su propia investigación es dopar las nanoesferas con isótopos radiactivos que se desintegren y permitan reconstruir el momento de los neutrinos emitidos.

Maxime Perdriat, del ETH Zurich, autor principal de otro trabajo publicado en Physical Review A, calificó el resultado de Moore como sorprendente y señaló que, a diferencia del suyo, permite distinguir cuándo se puede resolver un solo átomo y cuándo hay demasiados para hacerlo, algo con implicaciones importantes para la materia oscura y los neutrinos estériles. A su juicio, ambos trabajos apuntan a aplicaciones futuras similares en física fundamental y física de partículas.