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    Equipo inventa una nueva forma de ver el mundo cuántico

    Obra de arte realizada con la nueva técnica de imagen de JILA, que mide de forma rápida y precisa el comportamiento cuántico en un reloj atómico. Las imágenes son representaciones en falso color de átomos detectados en el estado fundamental (azul) o en el estado excitado (rojo). La región blanca representa una fina mezcla de átomos en los dos estados, que crea "ruido" cuántico en la imagen. Esto ocurre porque todos los átomos se prepararon inicialmente en un estado cuántico de superposición, o ambos estados de tierra y excitados simultáneamente, y la medición de imágenes provoca un colapso en uno de los dos estados. La técnica de imagen ayudará a mejorar la precisión del reloj, agregar nuevos detalles a nivel atómico a los estudios de fenómenos como el magnetismo y la superconductividad y, en el futuro, quizás permitir que los científicos "vean" nueva física. Crédito:Marti / JILA

    Los científicos de JILA han inventado una nueva técnica de obtención de imágenes que produce mediciones precisas del comportamiento cuántico en un reloj atómico en forma de arte visual casi instantáneo.

    La técnica combina espectroscopia, que extrae información de las interacciones entre la luz y la materia, con microscopía de alta resolución.

    Como se describe en Cartas de revisión física , el método JILA hace mapas espaciales de cambios de energía entre los átomos en un reloj atómico de celosía de estroncio tridimensional, proporcionar información sobre la ubicación y el nivel de energía de cada átomo, o estado cuántico.

    La técnica mide rápidamente los efectos físicos que son importantes para los relojes atómicos, mejorando así la precisión del reloj, y puede agregar nuevos detalles a nivel atómico a los estudios de fenómenos como el magnetismo y la superconductividad. En el futuro, el método puede permitir a los científicos ver finalmente una nueva física, como la conexión entre la física cuántica y la gravedad.

    JILA es operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder.

    "Esta técnica nos permite escribir una hermosa 'música' con luz láser y átomos, y luego mapear eso en una estructura y congelarlo como una piedra para que podamos ver los átomos individuales escuchando los diferentes tonos del láser, leer directamente como una imagen, "Jun Ye, miembro de JILA / NIST, dijo.

    Los átomos están en un gas degenerado cuántico, en el que un gran número de átomos interactúan entre sí. Este fenómeno de "muchos cuerpos cuánticos" está ampliando la precisión de la medición a nuevos extremos.

    Para preparar átomos para una foto de belleza, los investigadores utilizan un pulso láser para impulsar alrededor de 10, 000 átomos de estroncio desde su estado fundamental de baja energía a uno de alta energía, estado emocionado. Luego, un láser azul colocado debajo de la celosía se ilumina verticalmente hacia arriba a través de los átomos, y una cámara toma una fotografía de la sombra que proyectan los átomos, que es una función de la cantidad de luz que absorben. Los átomos en estado fundamental absorben más luz.

    Las imágenes resultantes son representaciones en falso color de átomos en el estado fundamental (azul) y en el estado excitado (rojo). La región blanca representa átomos en una fina mezcla de alrededor del 50 por ciento de rojo y 50 por ciento de azul, creando un efecto moteado. Esto ocurre porque estos átomos se prepararon inicialmente en un estado cuántico de superposición, o ambos estados de tierra y excitados simultáneamente, y la medición de imágenes provoca un colapso en uno de los dos estados, que crea "ruido" en la imagen.

    Como demostración, el equipo de JILA creó una serie de imágenes para mapear pequeños cambios de frecuencia, o fracciones de átomos en estado excitado, a través de diferentes regiones de la celosía. La capacidad de realizar comparaciones simultáneas mejora la precisión y la velocidad en las mediciones de un grupo de átomos. Los investigadores informaron haber logrado una precisión récord en la medición de frecuencias de 2,5 x 10-19 (error de solo 0,25 partes por mil millones de millones) en 6 horas. Se espera que la espectroscopia de imágenes mejore en gran medida la precisión del reloj atómico JILA, y otros relojes atómicos en general.

    La espectroscopia de imágenes proporciona información sobre el entorno local de los átomos, similar a la increíble resolución que ofrece la microscopía de túnel de barrido. Hasta aquí, el método se ha utilizado para producir imágenes bidimensionales, pero podría hacer imágenes en 3-D basadas en mediciones capa por capa como se hace en tomografía, que combina múltiples secciones transversales de objetos sólidos, Vosotros dijiste.

    Una especie de cristal artificial la red de átomos también podría usarse como sensor magnético o gravitacional para probar la interacción entre diferentes campos de la física. Ye está más entusiasmado con la posibilidad futura de usar los átomos en el reloj como sensor de gravedad, para ver cómo la mecánica cuántica, que opera en escalas espaciales muy pequeñas, interactúa con la relatividad general, la teoría de la gravedad, una fuerza macroscópica.

    "A medida que el reloj mejora en los próximos 20 años, este pequeño cristal no solo podría trazar un mapa de cómo la gravedad afecta la frecuencia, pero también podríamos empezar a ver la interacción de la gravedad y la mecánica cuántica, "Ya dijiste." Este es un efecto físico que ninguna sonda experimental ha medido nunca. Esta técnica de imagen podría convertirse en una herramienta muy importante ".

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