La levitación estable se puede lograr gracias a la física cuántica

Un grupo de física cuántica en Austria ha demostrado que los nanoimanes pueden ser levitados de forma estable en un campo magnético estático externo debido a principios mecánicos cuánticos.

Los investigadores liderados por Oriol Romero-Isart en La Universidad de Innsbruck han determinado además que el momento angular cuántico de los electrones, que también causa magnetismo, es responsable de este mecanismo.

Ya en 1842, el matemático británico Samuel Earnshaw demostró que no hay una configuración estable de levitación de imanes permanente. Si un imán levita sobre otro, la perturbación más pequeña hará que el sistema se bloquee. El levitrón, un juguete popular, elude el teorema de Earnshaw: cuando se altera, el movimiento giratorio causa una corrección del sistema y se mantiene la estabilidad.

En colaboración con investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica de Munich, los físicos del grupo de investigación de Oriol Romero-Isart en el Instituto de Física Teórica, Universidad de Innsbruck, y el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica, Academia de Ciencias de Austria, ahora han demostrado que “en el mundo cuántico, pequeñas nanopartículas no giratorias pueden levitar establemente en un campo magnético”.

“Las propiedades mecánicas cuánticas que no son perceptibles en el mundo macroscópico pero que influyen fuertemente en los nanoobjetos son responsables de este fenómeno”, dice Oriol Romero-Isart.

Albert Einstein y el físico holandés Wander Johannes de Haas descubrieron en 1915 que el magnetismo es el resultado de los principios de la mecánica cuántica: el momento angular cuántico de los electrones, o el llamado espín electrónico. Los físicos del grupo de investigación de Oriol Romero-Isart han demostrado ahora que el giro de electrones permite la levitación estable de un solo nanoimán en un campo magnético estático, lo que sería imposible según el clásico teorema de Earnshaw. Los físicos teóricos llevaron a cabo análisis integrales de estabilidad en función del radio del objeto y la fuerza del campo magnético externo.

Los resultados mostraron que, en ausencia de disipación, aparece un estado de equilibrio. Este mecanismo se basa en el efecto giromagnético: cuando se produce un cambio en la dirección del campo magnético, se produce un momento angular debido a que el momento magnético se acopla con el giro de los electrones.

“Esto estabiliza la levitación magnética del nanoimán”, explica el primer autor Cosimo Rusconi. Además, los investigadores demostraron que el estado de equilibrio de nanoimanes magnéticamente levitados exhibe el entrelazamiento de sus grados de libertad.

Oriol Romero-Isart y su equipo son optimistas respecto a que estos nanoimanes levitados pronto puedan ser observados experimentalmente. Han hecho sugerencias sobre cómo se podría lograr esto en condiciones realistas. Los nanoimanes levitados son un nuevo campo de investigación experimental para los físicos.

Los estudios de nanoimanes en condiciones inestables podrían conducir al descubrimiento de fenómenos cuánticos exóticos. Además, después de acoplar varios nanoimanes, el nanomagnetismo cuántico podría ser simulado y estudiado experimentalmente. Los nanoimanes levitados también son de gran interés para aplicaciones técnicas, por ejemplo, para desarrollar sensores de alta precisión.

• Artículos de investigación en Physical Review Letters y Physical Review B.
• Con información de Universität Innsbruck y Europapress.
• Selección y edición del Colectivo Alterius.