Para un no físico, un "colimador de haz atómico" puede sonar como un phaser que dispara partículas místicas. Esa podría no ser la peor metáfora para introducir una tecnología que los investigadores ahora han miniaturizado, lo que hace que sea más probable que algún día aterrice en dispositivos de mano.

Hoy dia, Los colimadores de haz atómico se encuentran principalmente en laboratorios de física, donde disparan átomos en un rayo que produce fenómenos cuánticos exóticos y que tiene propiedades que pueden ser útiles en tecnologías de precisión. Al reducir los colimadores del tamaño de un pequeño aparato para que quepan en la punta de un dedo, Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia quieren poner la tecnología a disposición de los ingenieros que avanzan en dispositivos como relojes atómicos o acelerómetros. un componente que se encuentra en los teléfonos inteligentes.

"Un dispositivo típico que podrías hacer con esto es un giroscopio de próxima generación para un sistema de navegación de precisión que es independiente del GPS y se puede usar cuando estás fuera del alcance del satélite en una región remota o viajas por el espacio. "dijo Chandra Raman, profesor asociado en la Escuela de Física de Georgia Tech y co-investigador principal del estudio.

La investigación fue financiada por la Oficina de Investigaciones Navales. Los investigadores publicaron sus resultados en la revista Comunicaciones de la naturaleza el 23 de abril 2019.

Esto es lo que es un colimador algo del potencial cuántico en haces atómicos, y cómo el formato de colimador en miniatura podría ayudar a los haces atómicos a dar forma a las nuevas generaciones de tecnología.

Escopeta atómica de bolsillo

"Los haces atómicos colimados han existido durante décadas, "Raman dijo, "Pero actualmente, los colimadores deben ser grandes para ser precisos ".

El rayo atómico comienza en una caja llena de átomos, a menudo rubidio, calentado hasta convertirse en vapor de modo que los átomos zumban caóticamente. Un tubo entra en la caja, y átomos aleatorios con la trayectoria correcta se disparan al interior del tubo como perdigones que entran en el cañón de una escopeta.

Como perdigones dejando una escopeta, los átomos salen por el extremo del tubo disparando razonablemente rectos pero también con un chorro aleatorio de disparo atómico volando en ángulos sesgados. En un rayo atómico, ese spray produce ruido de señal, y el colimador en un chip mejorado elimina la mayor parte para una mayor precisión, haz de átomos casi perfectamente paralelo.

El haz es mucho más enfocado y puro que los haces provenientes de colimadores existentes. A los investigadores también les gustaría que su colimador permitiera a los físicos experimentales crear de manera más conveniente estados cuánticos complejos.

Máquina de inercia inquebrantable

Pero más inmediatamente, el colimador establece una mecánica newtoniana que podría adaptarse para un uso práctico.

Los haces mejorados son corrientes de inercia inquebrantable porque, a diferencia de un rayo láser, que está hecho de fotones sin masa, los átomos tienen masa y, por tanto, momento e inercia. Esto hace que sus rayos sean puntos de referencia potencialmente ideales en giroscopios impulsados ​​por rayos que ayudan a rastrear el movimiento y los cambios de ubicación.

Los giroscopios actuales en los dispositivos de navegación sin GPS son precisos a corto plazo, pero no a largo plazo. lo que significa recalibrarlos o reemplazarlos muy a menudo, y eso los hace menos convenientes, decir, en la luna o en Marte.

"Los instrumentos convencionales a escala de chips basados ​​en la tecnología MEMS (sistemas microelectromecánicos) sufren variaciones en el tiempo debido a diversas tensiones, "dijo el co-investigador principal Farrokh Ayazi, quien es profesor Ken Byers en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia Tech. "Para eliminar esa deriva, necesitas un mecanismo absolutamente estable. Este haz atómico crea ese tipo de referencia en un chip ".

Haz de entrelazamiento cuántico

Los átomos excitados por calor en un haz también se pueden convertir en átomos de Rydberg, que proporcionan una cornucopia de propiedades cuánticas.

Cuando un átomo está lo suficientemente energizado, su electrón en órbita más externo sobresale tanto que el átomo aumenta de tamaño. Orbitando tan lejos con tanta energía ese electrón más externo se comporta como el electrón solitario de un átomo de hidrógeno, y el átomo de Rydberg actúa como si tuviera un solo protón.

"Puede diseñar ciertos tipos de entrelazamiento cuántico de múltiples átomos utilizando estados de Rydberg porque los átomos interactúan entre sí con mucha más fuerza que dos átomos en el estado fundamental, "Dijo Raman.

"Los átomos de Rydberg también podrían hacer avanzar las tecnologías de sensores en el futuro porque son sensibles a los flujos de fuerza o en campos electrónicos más pequeños que un electrón en escala". ", Dijo Ayazi." También podrían usarse en el procesamiento de información cuántica ".

Ranuras de silicona litografiadas

Los investigadores idearon una forma sorprendentemente conveniente de hacer el nuevo colimador, lo que podría alentar a los fabricantes a adoptarlo:cortaron mucho, canales extremadamente estrechos a través de una oblea de silicio que corre paralela a su superficie plana. Los canales eran como cañones de escopeta alineados uno al lado del otro para disparar una serie de haces atómicos.

El silicio es un material excepcionalmente resbaladizo para que vuelen los átomos y también se utiliza en muchas tecnologías microelectrónicas y de computación existentes. Eso abre la posibilidad de combinar estas tecnologías en un chip con el nuevo colimador en miniatura. Litografía, que se utiliza para grabar la tecnología de chips existente, se utilizó para cortar con precisión los canales del colimador.

La mayor innovación de los investigadores redujo en gran medida el aerosol tipo escopeta, es decir, el ruido de la señal. Cortaron dos huecos en los canales, formando una cascada alineada de tres conjuntos de conjuntos paralelos de barriles.

Los átomos que vuelan en ángulos sesgados saltan de los canales en los huecos y los que vuelan razonablemente paralelos en el primer conjunto de canales continúan con el siguiente. luego, el proceso se repite pasando del segundo al tercer conjunto de canales. Esto le da a los haces atómicos del nuevo colimador su excepcional rectitud.