La interferometría atómica es la técnica conocida más sensible para medir fuerzas gravitacionales y fuerzas inerciales como la aceleración y la rotación. Es un pilar de la investigación científica y se comercializa como un medio de seguimiento de la ubicación en entornos donde el GPS no está disponible. También es extremadamente sensible a los campos eléctricos y se ha utilizado para realizar mediciones minuciosas de las propiedades eléctricas fundamentales de los elementos.

Los interferómetros de átomos más sensibles utilizan estados exóticos de la materia llamados condensados ​​de Bose-Einstein. En el último número de Cartas de revisión física , Los investigadores del MIT presentan una forma de hacer que la interferometría de átomos con condensados ​​de Bose-Einstein sea aún más precisa, eliminando una fuente de error endémica de diseños anteriores.

Los interferómetros que utilizan el nuevo diseño podrían ayudar a resolver algunas cuestiones fundamentales en física, como la naturaleza de los estados intermedios entre la descripción cuántica de la materia, que prevalece a escalas muy pequeñas, y la descripción newtoniana de la que depende la ingeniería cotidiana.

"La idea aquí es que los condensados ​​de Bose-Einstein son en realidad bastante grandes, "dice William Burton, estudiante de posgrado en física del MIT y primer autor del artículo. "Sabemos que las cosas muy pequeñas actúan cuánticamente, pero entonces grandes cosas como tú y yo no actúan de forma muy cuántica. Entonces podemos ver qué tan lejos podemos estirar un sistema cuántico y aún hacer que actúe de manera coherente cuando lo volvamos a unir. Es una pregunta interesante ".

Junto a Burton en el periódico está su asesor, profesor de física Wolfgang Ketterle, quien ganó el Premio Nobel de Física en 2001 por su trabajo pionero en condensados ​​de Bose-Einstein, y otros cuatro miembros del MIT-Harvard Center for Ultrafold Atoms, que dirige Ketterle.

Triturando condensados

Los condensados ​​de Bose-Einstein son grupos de átomos que, cuando se enfría casi al cero absoluto, todos habitan exactamente el mismo estado cuántico. Esto les da una serie de propiedades inusuales, entre ellos la extrema sensibilidad a la perturbación de fuerzas externas.

Un enfoque común para construir un interferómetro de condensado Bose-Einstein implica suspender una nube de átomos (el condensado) en una cámara y luego disparar un rayo láser para producir una "onda estacionaria". Si se piensa en una ola como un garabato con depresiones y crestas regulares, entonces se produce una onda estacionaria cuando una onda está exactamente alineada con su reflejo. Los puntos cero, los puntos de transición entre valle y cresta, de la onda y su reflejo son idénticos.

La onda estacionaria divide el condensado en grupos de átomos de aproximadamente el mismo tamaño, cada uno su propio condensado. En el experimento de los investigadores del MIT, por ejemplo, la onda estacionaria se divide alrededor de 20, 000 átomos de rubidio en 10 grupos de aproximadamente 2, 000, cada uno suspendido en un "pozo" entre dos puntos cero de la onda estacionaria.

Cuando las fuerzas externas actúan sobre el condensado, la trampa láser evita que se muevan. Pero cuando el láser se apaga, los condensados ​​se expanden, y su energía refleja las fuerzas a las que fueron sometidos. Hacer brillar una luz a través de la nube de átomos produce un patrón de interferencia a partir del cual esa energía, y así la fuerza que experimentaron los condensados, se puede calcular.

Esta técnica ha producido las mediciones más precisas de las fuerzas gravitacionales e inerciales registradas. Pero tiene un problema:la división del condensado en grupos separados no es perfectamente uniforme. Un pozo de la onda estacionaria podría contener, decir, 1, 950 átomos, y el de al lado 2, 050. Este desequilibrio produce diferencias de energía entre pozos que introducen errores en la medición de energía final, limitando su precisión.

Acto de equilibrio

Para resolver este problema, Aparejo, Ketterle, y sus colegas utilizan no uno sino dos condensados ​​como punto de partida para su interferómetro. Además de atrapar los condensados ​​con un láser, también los someten a un campo magnético.

Ambos condensados ​​constan de átomos de rubidio, pero tienen diferentes "giros, "una propiedad cuántica que describe su alineación magnética. La onda estacionaria segrega ambos grupos de átomos, pero solo uno de ellos, los átomos en rotación, siente el campo magnético. Eso significa que los átomos del otro grupo, los átomos en rotación, pueden moverse libremente de un pozo a otro de la onda estacionaria.

Dado que un exceso relativo de átomos de spin-down en un pozo le da un ligero impulso de energía, arrojará algunos de sus átomos en rotación hacia los pozos vecinos. Los átomos giratorios se barajan alrededor de la onda estacionaria hasta que cada pozo tiene exactamente el mismo número de átomos. Al final del proceso, cuando se leen las energías de los átomos, los átomos de spin-up corrigen los desequilibrios entre los átomos de spin-down.

Los condensados ​​de Bose-Einstein son interesantes porque exhiben efectos cuánticos a escala relativamente grande, y las descripciones cuánticas de los sistemas físicos generalmente reflejan la dualidad onda-partícula, el hecho de que, a escalas suficientemente pequeñas, la materia exhibirá comportamientos característicos tanto de partículas como de ondas. Por tanto, los condensados ​​de los experimentos de los investigadores del MIT pueden considerarse ondas, con sus propias longitudes de onda, amplitudes, y fases.

Para hacer interferometría atómica, los grupos de átomos atrapados por el láser deben estar todos en fase, lo que significa que los valles y crestas de sus olas están alineados. Los investigadores demostraron que su método de "protección" mantenía los condensados ​​en fase mucho más tiempo de lo que era posible anteriormente. lo que debería mejorar la precisión de la interferometría atómica.

"Una de las grandes expectativas para los condensados ​​de Bose-Einstein [BEC], que se destacó en la cita del Nobel, era que darían lugar a solicitudes, "dice Dominik Schneble, profesor asociado de física en la Universidad de Stony Brook. "Y una de esas aplicaciones es la interferometría atómica".

"Pero las interacciones entre BEC básicamente dan lugar a la eliminación de fases, que no se puede controlar muy bien, ", Dice Schneble." Un enfoque ha sido desactivar las interacciones. En ciertos elementos, uno puede hacer esto muy bien. Pero no es una propiedad universal. Lo que están haciendo en este documento es que están diciendo:'Aceptamos el hecho de que las interacciones están ahí, pero estamos usando interacciones de tal manera que no solo no es un problema, sino que también resuelve otros problemas ”. Es muy elegante y muy inteligente. Se adapta a la situación como un guante natural ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.