Los átomos superradiantes pueden ayudarnos a medir el tiempo con mayor precisión que nunca. En un estudio reciente, investigadores de la Universidad de Copenhague presentan un nuevo método para medir el intervalo de tiempo, el segundo, mitigando algunas de las limitaciones que encuentran los relojes atómicos más avanzados de la actualidad. El resultado podría tener amplias implicaciones en áreas como los viajes espaciales, las erupciones volcánicas y los sistemas GPS.
La segunda es la unidad de medida definida con mayor precisión, en comparación con otras unidades básicas como el kilogramo, el metro y el grado Kelvin. Actualmente el tiempo se mide mediante relojes atómicos en diferentes lugares del mundo, que en conjunto nos dicen qué hora es. Utilizando ondas de radio, los relojes atómicos envían continuamente señales que sincronizan nuestras computadoras, teléfonos y relojes de pulsera.
Las oscilaciones son la clave para mantener el tiempo. En un reloj de pie, estas oscilaciones se deben a un péndulo que oscila de lado a lado cada segundo, mientras que en un reloj atómico, se trata de un rayo láser que corresponde a una transición de energía en el estroncio y oscila aproximadamente un millón de billones de veces por segundo.
Pero según Ph.D. Su colega Eliot Bohr del Instituto Niels Bohr, bisnieto de Niels Bohr, incluso los relojes atómicos podrían volverse más precisos. Esto se debe a que el láser de detección, utilizado por la mayoría de los relojes atómicos modernos para leer la oscilación de los átomos, calienta tanto los átomos que escapan, lo que degrada la precisión.
"Debido a que los átomos necesitan ser reemplazados constantemente con átomos nuevos y frescos, mientras se preparan nuevos átomos, el reloj pierde el tiempo ligeramente. Por lo tanto, estamos intentando superar algunos de los desafíos y limitaciones actuales de los mejores relojes atómicos del mundo , entre otras cosas, reutilizar los átomos para que no sea necesario reemplazarlos con tanta frecuencia", explica Bohr, que trabajaba en el Instituto Niels Bohr cuando realizó la investigación, pero que ahora es Ph.D. becario de la Universidad de Colorado.
Es el autor principal de un nuevo estudio publicado en la revista Nature Communications. , que utiliza una forma innovadora y quizás más eficiente de medir el tiempo.
La metodología actual consiste en un horno caliente que escupe aproximadamente 300 millones de átomos de estroncio en una bola extraordinariamente fría de átomos fríos conocida como trampa magnetoóptica o MOT. La temperatura de estos átomos es de aproximadamente -273°C (muy cerca del cero absoluto) y hay dos espejos con un campo de luz entre ellos para mejorar las interacciones atómicas. Junto con sus colegas de investigación, Bohr ha desarrollado un nuevo método para leer los átomos.
"Cuando los átomos caen en la cámara de vacío, se quedan completamente quietos porque hace mucho frío, lo que permite registrar sus oscilaciones con los dos espejos situados en los extremos opuestos de la cámara", explica Bohr.
La razón por la que los investigadores no necesitan calentar los átomos con un láser y destruirlos es gracias a un fenómeno físico cuántico conocido como "superradiancia". El fenómeno se produce cuando el grupo de átomos de estroncio se entrelaza y al mismo tiempo emite luz en el campo entre los dos espejos.
"Los espejos hacen que los átomos se comporten como una sola unidad. En conjunto, emiten una poderosa señal luminosa que podemos usar para leer el estado atómico, un paso crucial para medir el tiempo. Este método calienta los átomos mínimamente, por lo que todo Esto ocurre sin reemplazar los átomos, y esto tiene el potencial de convertirlo en un método de medición más preciso", explica Bohr.
GPS, misiones espaciales y erupciones volcánicas
Según Bohr, el resultado de la nueva investigación puede ser beneficioso para desarrollar un sistema GPS más preciso. De hecho, los aproximadamente 30 satélites que giran constantemente alrededor de la Tierra y nos dicen dónde estamos necesitan relojes atómicos para medir el tiempo.
"Cada vez que los satélites determinan la posición de su teléfono o GPS, está utilizando un reloj atómico en un satélite. La precisión de los relojes atómicos es tan importante que si ese reloj atómico se desvía por un microsegundo, significa una imprecisión de unos 100 metros. en la superficie de la Tierra", explica Bohr.
Las futuras misiones espaciales son otro ámbito en el que el investigador prevé que relojes atómicos más precisos tendrán un impacto significativo.
"Cuando las personas y las naves son enviadas al espacio, se alejan aún más de nuestros satélites. En consecuencia, las necesidades de mediciones precisas del tiempo para navegar en el espacio son mucho mayores", afirma.
El resultado también podría ser útil en el desarrollo de una nueva generación de relojes atómicos portátiles más pequeños que podrían usarse para algo más que "sólo" medir el tiempo.
"Los relojes atómicos son sensibles a los cambios gravitacionales y, por lo tanto, pueden usarse para detectar cambios en la masa y la gravedad de la Tierra, y esto podría ayudarnos a predecir cuándo ocurrirán erupciones volcánicas y terremotos", dice Bohr.
Bohr enfatiza que si bien el nuevo método que utiliza átomos superradiantes es muy prometedor, sigue siendo una "prueba de concepto" que necesita mayor perfeccionamiento.
La investigación fue realizada por el equipo de Jörg Helge Müller y Jan Thomsen en el Instituto Niels Bohr, en colaboración con Ph.D. los estudiantes Sofus Laguna Kristensen y Julian Robinson-Tait, y el postdoctorado Stefan Alaric Schäffer. El proyecto también contó con contribuciones de los teóricos Helmut Ritsch y Christoph Hotter de la Universidad de Innsbruck, así como de Tanya Zelevinsky de la Universidad de Columbia. Este trabajo subraya la importancia de la colaboración internacional en las ciencias.
Más información: Eliot A. Bohr et al, Lectura de Ramsey mejorada colectivamente mediante transición de cavidad sub a superradiante, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45420-x
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Copenhague
