Un problema al tratar con armas de destrucción masiva es que están bien escondidas. La clave para encontrarlos puede ser cambiar los métodos que usamos para buscar. Uno de esos métodos está tomando forma en un laboratorio en el sótano de Small Hall en William &Mary.

"Básicamente, lo estamos haciendo para que puedas ver lo que no puedes ver, "dijo Seth Aubin, profesor asociado de física en William &Mary.

Aubin recibió recientemente una subvención de la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa del Departamento de Defensa de EE. UU. Para desarrollar un nuevo tipo de instrumento capaz de detectar infraestructura oculta para armas de destrucción masiva.

"La agencia está particularmente interesada en encontrar fábricas subterráneas o silos de misiles, ese tipo de cosas, "Aubin dijo, "pero también se puede utilizar para detectar submarinos o incluso encontrar túneles y cuevas de contrabando".

Para ver lo invisible Aubin dice:primero tenemos que reconsiderar lo que significa mirar. El ojo humano está diseñado para procesar la luz, o cuando hablas de física de partículas, fotones. Cuando nos referimos a algo como "visible, "Aubin explica, normalmente significa que los fotones que rebotan en esa cosa se mueven a una longitud de onda que nuestros ojos pueden procesar y, por lo tanto, ver.

Pero, ¿qué pasaría si cambiamos nuestra interpretación de "ver" para dar cuenta de algo que no sea la luz? Aubin tiene como objetivo hacer precisamente eso:encontrar lo que es invisible en términos de luz, pero visible en términos de masa.

Aubin y su equipo (Bennett Atwater '20, Hantao "Tony" Yu '22, Doctor. los candidatos Andrew Rotunno y Shuangli Du, y el científico Doug Beringer) están desarrollando un dispositivo que usa átomos ultrafríos para detectar distorsiones en el campo gravitacional de la Tierra y "ver" usando materia en lugar de luz.

"Los fotones no son tan sensibles a la gravedad, ", Dijo Aubin." Las cosas que son sensibles a la gravedad son las cosas que tienen masa. Cuanto más pesado es cuanto más sensible es y los átomos son mucho más pesados ​​que los fotones ".

La idea es imitar el proceso de interferometría óptica, una forma precisa de realizar mediciones mediante el seguimiento de la interferencia constructiva y destructiva producida por las longitudes de onda de la luz. Así es como un equipo global de científicos, incluyendo varios de William &Mary, pudieron detectar ondas gravitacionales por primera vez, un logro digno del Premio Nobel.

"Básicamente, tomas un rayo de luz y lo haces ir por dos caminos, "Aubin dijo." Un camino estará más cerca de algo y su camino será distorsionado por la gravedad. Cuando los rayos se recombinan, lees la diferencia de fase y te puede decir mucho sobre lo que hay. Estamos haciendo lo mismo excepto con átomos en lugar de fotones ".

Tiene mucho sentido si dejamos nuestro cómodo mundo de la física newtoniana y entramos en el reino de la mecánica cuántica, donde la masa y la energía son intercambiables, y toda la materia se comporta como una onda a nivel atómico.

"La idea es utilizar este método para medir el campo gravitacional de la Tierra con una precisión increíble, digamos parte por billón, "Dijo Aubin." Eso significa que estás midiendo un número de nueve dígitos. Toda la información está en ese último dígito. Ese último dígito te dice la variación en el campo gravitacional. Lo que hace que varíe es la masa, masa que falta, como un túnel o una cueva, o masa que es extra, como el petróleo o el mineral de hierro o uranio ".

Resulta que si quieres ser increíblemente preciso, primero tienes que ponerte increíblemente frío. El laboratorio utiliza átomos enfriados a aproximadamente un microkelvin de temperatura, acercándose al cero absoluto, la temperatura más baja teóricamente posible. De hecho, los investigadores utilizan el objeto más frío del universo, el condensado de Bose-Einstein, para calibrar sus instrumentos.

"Una de las razones por las que nos volvemos tan fríos es porque no tienes que ir a buscar la mecánica cuántica, viene buscándote, ", Dijo Aubin." La materia comienza a comportarse como una ola, te guste o no."

Ahora, el equipo está trabajando con átomos de rubidio y potasio súper fríos, que se enfrían mediante una serie de láseres cuidadosamente colocados. Casi la mitad del espacio del laboratorio está dedicado a una mesa de lentes, espejos y otras ópticas. Todos están orientados a crear el rayo láser perfecto, que se transporta a un área de descarga de átomos a través de un cable de fibra óptica.

"Cuando miras esto por primera vez, parece un desastre gigantesco, "Aubin dijo, de pie junto a la mesa óptica. "No es desordenado, está muy bien organizado. Para una gran fracción de los elementos aquí, si los mueve de 10 a 100 micrones, nada funcionará ".

Aubin compara los fotones de luz láser con bolas de nieve. Una bola de nieve está internamente fría pero cuando se lanza a tu manera y choca contra tu piel, se siente caliente. Eso es porque la bola de nieve tenía mucha energía cinética. Los fotones en los rayos láser también tienen mucha energía, y, como una bola de nieve, están internamente fríos.

"Los fotones láser son muy energéticos, así que si no sabe cómo interactuar la luz láser con el material, va a hacer calor, "Aubin dijo, "pero si sabe cómo interactuar, realmente transferirás la frialdad de los fotones a otra cosa, en este caso, nuestros átomos ".

Una vez que los átomos se enfrían, se mantienen en una trampa antes de transferirlos a un microchip de pulgada cuadrada, que admite un campo magnético de microondas. El campo trabajará para enviar los átomos a lo largo de dos caminos separados antes de volver a unirlos, después de lo cual los investigadores medirán las longitudes de onda atómicas en busca de interferencias constructivas o destructivas.

"El chip es donde ocurre toda la física, "Aubin dijo, "pero para que la física suceda, necesita una sala completa de equipos ".

Hasta aquí, el equipo ha cambiado con éxito la dirección de giro de dos átomos, pero todavía tienen que enviar los átomos por dos caminos separados. Una curva de aprendizaje mayor a la esperada puede ser en parte la culpable.

"Resulta que las microondas son una especie de arte oscuro de la ingeniería eléctrica, ", Dijo Aubin." Ya es bastante difícil que ni siquiera se les enseñe a los físicos, así que nos estamos enseñando ingeniería de microondas a medida que avanzamos ".

Un equipo de estudiantes universitarios está diseñando los circuitos de microondas para alimentar el chip. Han tenido que hacer la mayor parte de la fabricación internamente, Aubin dijo:señalando montones de aparatos electrónicos esparcidos por el laboratorio.

"Creamos la mayoría de las cosas que necesitamos, ", Dijo Aubin." Normalmente no se puede comprar, porque estas cosas simplemente no existen. Si está haciendo algo por primera vez, tienes que inventar tus propias herramientas ".