Una microesfera de carbonato de calcio, el tamaño de una celda, y levitado por la luz, actuó como un oscilador ultraestable ("reloj"). El microoscilador funcionó con mucha precisión, movimiento estable en el estudio. Crédito:Yoshi Arita (Universidad de St Andrews y Universidad de Chiba)
Un nuevo "reloj" mecánico ha sido creado por un equipo internacional de investigadores, dirigido por científicos de la Universidad de St Andrews, que podría poner a prueba la física fundamental de la gravedad.
El oscilador mecánico levitado, creado dentro de una esfera de vidrio del tamaño de una sola célula sanguínea, fue manipulado por la luz por el equipo para crear un sensor ultrasensible que pudiera medir los cambios de temperatura y presión a nanoescala.
Este reloj de alta precisión podría detectar la gravedad a escalas más pequeñas de lo que era posible anteriormente y encontrar evidencia potencial de desviaciones de las leyes de la gravedad de Newton que requieren una nueva física más allá de lo que entendemos actualmente.
La investigación, apoyado por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido y la Fundación de Ciencias Checa, se publica en Avances de la ciencia .
La resonancia es un fenómeno que nos rodea:ocurre cuando un objeto vibra u "oscila" al mismo ritmo natural que un segundo objeto adyacente, esto obliga al segundo objeto a vibrar por sí mismo, a menudo muestra un gran movimiento.
Para hacer instrumentos musicales sonoros, usamos resonancia entre el aire y el cuerpo del instrumento. La resonancia incluso explica el sonido del mar que se escucha cuando se coloca una concha en la oreja.
En física, esto se puede utilizar con gran efecto con resonadores del tamaño de células o incluso átomos. Sufren un movimiento periódico, similar a un reloj que hace tictac, y pueden conducirse unos a otros. Esto conduce a formas de realizar mediciones con una precisión sin precedentes.
Por ejemplo, Los saltos internos periódicos de energía (vibraciones) en los átomos pueden estar vinculados a relojes externos:estos son el núcleo de la creación de Sistemas de Posicionamiento Global (GPS) para un cronometraje de ultraprecisión. El tiempo que se puede mantener este movimiento periódico está determinado por el valor "Q". Un resonador con un factor Q alto suena o vibra durante más tiempo, lo que permite mediciones más precisas.
Ahora, investigadores de la Universidad de St Andrews en Escocia, el Instituto de Instrumentos Científicos de la Academia Checa de Ciencias en la República Checa, La Universidad de Chiba en Japón y la Universidad de Yonsei en Corea han visto un movimiento periódico ultrapreciso en una esfera de vidrio minúscula, el tamaño de una célula sanguínea, mantenido en el vacío por la luz.
Realizar el estudio en vacío ayudó a evitar la fricción que amortiguaría el movimiento y reduciría el valor Q. El equipo manipuló la luz para hacer que la pequeña esfera se moviera hacia adelante y hacia atrás y girara en perfecta armonía. creando un "reloj" muy bien definido.
El movimiento de la esfera alcanzó un valor Q de más de 100 millones, más de 100 veces mayor que los resultados reportados anteriormente para tales sistemas. Este movimiento es muy sensible a cualquier influencia externa y el equipo tiene como objetivo utilizarlo para detectar minúsculas perturbaciones ambientales. como cambios de temperatura y presión, e incluso probar la física fundamental.
Dr. Yoshi Arita, de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de St Andrews, y del Centro de Investigación de Quiralidad Molecular de la Universidad de Chiba, dijo:"Desafortunadamente, Incluso las colisiones de las escasas moléculas de gas alrededor de la partícula pueden introducir errores en el tic-tac de nuestro reloj (movimiento de la microesfera) que pueden limitar su precisión.
"Corregimos estos errores tomando una señal láser periódica para impulsar o 'empujar' la microesfera:algo así como un niño en un columpio que patea sus piernas en el momento exacto con el columpio para lograr que haga grandes cambios:esto hizo que el movimiento de nuestra esfera muy estable. Si se tratara de un reloj, sería tan exacto que sólo habría perdido media millonésima de segundo en un día entero ".
Dr. Stephen Simpson, físico teórico del Instituto de Instrumentos Científicos de la Academia Checa de Ciencias, dijo:"En una escala de longitud microscópica, el movimiento de una partícula es de naturaleza aleatoria debido a las fluctuaciones de energía, pero es asombroso ver que la naturaleza también ha ideado un esquema para extraer un trabajo útil de movimiento dirigido de esta minúscula máquina ".
Profesor Kishan Dholakia, de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de St Andrews y profesor afiliado en las Universidades de Chiba y Yonsei, dijo:"El equipo ha realizado un trabajo verdaderamente sobresaliente que creemos que resonará en la comunidad internacional. Además de los emocionantes aspectos de la física fundamental, la calidad de nuestros osciladores marcó un nuevo punto de referencia en este campo. Nuestro objetivo es explorarlos para desarrollar la próxima generación de exquisitos dispositivos de detección ".
El artículo 'Oscilaciones coherentes de una microesfera birrefringente levitada en el vacío impulsada por un acoplamiento de rotación-traslación no conservador' de Y Arita, S H Simpson, P Zemanek, y K Dholakia se publica en Avances de la ciencia .
