Los físicos del Trinity College de Dublín han propuesto un termómetro basado en entrelazamiento cuántico que puede medir con precisión temperaturas mil millones de veces más frías que las del espacio exterior.

Estas temperaturas ultra frías surgen en nubes de átomos, conocidos como gases de Fermi, que son creados por científicos para estudiar cómo se comporta la materia en estados cuánticos extremos.

El trabajo fue dirigido por el equipo de QuSys en Trinity con becarios postdoctorales, Dr. Mark Mitchison, Dr. Giacomo Guarnieri y el profesor John Goold, en colaboración con el profesor Steve Campbell (UCD) y el Dr. Thomas Fogarty y el profesor Thomas Busch que trabajan en OIST, Okinawa, Japón.

Sus resultados acaban de ser publicados como sugerencia del editor en la prestigiosa revista Cartas de revisión física .

Discutiendo la propuesta, Profesor Goold, jefe del grupo QuSys de Trinity, explica qué es un gas ultrafrío. Él dijo:

"La forma estándar en que un físico piensa sobre un gas es utilizar una teoría conocida como mecánica estadística. Esta teoría fue inventada por gigantes de la física como Maxwell y Boltzmann en el siglo XIX. Estos tipos revivieron una vieja idea de los filósofos griegos que los fenómenos macroscópicos, como la presión y la temperatura, podría entenderse en términos del movimiento microscópico de los átomos. Necesitamos recordar que en ese momento, la idea de que la materia estaba hecha de átomos fue revolucionaria ".

Continuó:"En los albores del siglo XX, otra teoría se hizo realidad. Esta es la mecánica cuántica y puede ser la teoría más importante y precisa que tenemos en física. Una famosa predicción de la mecánica cuántica es que los átomos individuales adquieren características onduladas, lo que significa que por debajo de una temperatura crítica pueden combinarse con otros átomos en una sola onda macroscópica con propiedades exóticas. Esta predicción llevó a una búsqueda experimental de un siglo para alcanzar la temperatura crítica. El éxito finalmente se logró en los años 90 con la creación de los primeros gases ultrafríos, enfriado con láseres (Premio Nobel de 1997) y atrapado con fuertes campos magnéticos, una hazaña que ganó el Premio Nobel en 2001 ".

Añadió:"Los gases ultrafríos como estos ahora se crean de forma rutinaria en laboratorios de todo el mundo y tienen muchos usos, que van desde probar teorías físicas fundamentales hasta detectar ondas gravitacionales. ¡Pero sus temperaturas son increíblemente bajas en nanokelvin y menos! Solo para darte una idea un kelvin es -272,15 grados Celsius. Estos gases son mil millones de veces más fríos que eso, los lugares más fríos del universo y se crean aquí mismo en la Tierra ".

Entonces, ¿qué es exactamente un gas Fermi? Explica:"Todas las partículas del universo, incluidos los átomos, vienen en uno de dos tipos llamados 'bosones' y 'fermiones' ". Un gas de Fermi comprende fermiones, el nombre del físico Enrico Fermi. A temperaturas muy bajas, los bosones y los fermiones se comportan de manera completamente diferente. Mientras que a los bosones les gusta agruparse, los fermiones hacen lo contrario. ¡Son los mejores distanciadores sociales! Esta propiedad hace que sea difícil medir su temperatura ".

Dr. Mark Mitchison, el primer autor del artículo, explica:"Tradicionalmente, la temperatura de un gas ultrafrío se infiere de su densidad:a temperaturas más bajas, los átomos no tienen suficiente energía para separarse, haciendo el gas más denso. Pero los fermiones siempre se mantienen alejados incluso a temperaturas ultrabajas, por lo que en algún momento la densidad de un gas de Fermi no le dice nada sobre la temperatura. En lugar de, propusimos usar un tipo diferente de átomo como sonda. Digamos que tiene un gas ultrafrío hecho de átomos de litio. Ahora toma un átomo diferente, di potasio, y sumergirlo en el gas. Las colisiones con los átomos circundantes cambian el estado de su sonda de potasio y esto le permite inferir la temperatura. Tecnicamente hablando, nuestra propuesta implica la creación de una superposición cuántica:un estado extraño en el que el átomo de la sonda interactúa y no interactúa simultáneamente con el gas. Demostramos que esta superposición cambia con el tiempo de una manera que es muy sensible a la temperatura ".

El Dr. Giacomo Guarnieri da la siguiente analogía:"Un termómetro es simplemente un sistema cuyas propiedades físicas cambian con la temperatura de una manera predecible. Por ejemplo, puede tomar la temperatura de su cuerpo midiendo la expansión del mercurio en un tubo de vidrio. Nuestro termómetro funciona de forma análoga, pero en lugar de mercurio medimos el estado de átomos individuales que están entrelazados (o correlacionados) con un gas cuántico ".

Profesor Steve Campbell, UCD, comenta:"Esta no es solo una idea remota; lo que estamos proponiendo aquí se puede implementar utilizando la tecnología disponible en los laboratorios de física atómica modernos. Que esa física fundamental pueda ser probada es realmente asombroso. Entre las diversas tecnologías cuánticas emergentes, Los sensores cuánticos como nuestro termómetro probablemente tengan el impacto más inmediato, por lo que es un trabajo oportuno y fue destacado por los editores de Physical Review Letters por ese motivo ”.

El profesor Goold agrega:"De hecho, una de las razones por las que se destacó este artículo fue precisamente porque realizamos cálculos y simulaciones numéricas con un enfoque particular en un experimento que se realizó en Austria y publicado hace unos años en Ciencias . Aquí, el gas Fermi es un gas diluido de átomos de litio atrapados que estaban en contacto con impurezas de potasio. Los experimentadores pueden controlar el estado cuántico con pulsos de radiofrecuencia y medir información sobre el gas. Estas son operaciones que se utilizan de forma rutinaria en otras tecnologías cuánticas. Las escalas de tiempo que son accesibles son simplemente asombrosas y no tendrían precedentes en los experimentos tradicionales de física de materia condensada. Estamos entusiasmados de que nuestra idea de usar estas impurezas como un termómetro cuántico con una precisión exquisita pueda implementarse y probarse con la tecnología existente ".