En un nuevo estudio publicado en Science Hoy, Jun Ye, miembro de JILA y NIST (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología), y su equipo de investigación han dado un paso significativo en la comprensión de las intrincadas y colectivas interacciones luz-átomo dentro de los relojes atómicos, los relojes más precisos del universo.
Utilizando una red cúbica, los investigadores midieron cambios de energía específicos dentro de la matriz de átomos de estroncio-87 debido a las interacciones dipolo-dipolo. Con una alta densidad de átomos, estos cambios de frecuencia a nivel de mHz, conocidos como cambios cooperativos de Lamb, se estudiaron espectroscópicamente. Estos cambios se estudiaron espacialmente y se compararon con los valores calculados utilizando técnicas de espectroscopia de imágenes desarrolladas en este experimento.
Estos cambios cooperativos de Lamb, llamados así porque la presencia de muchos átomos idénticos en un espacio muy reducido modifica la estructura del modo electromagnético a su alrededor, son un factor importante a medida que el número de átomos en los relojes continúa creciendo.
"Si puedes comprender y controlar estas interacciones a alta densidad en esta cuadrícula, siempre puedes hacer que la cuadrícula sea cada vez más grande", explica el estudiante graduado de JILA William Milner, segundo autor del artículo. "Es una tecnología inherentemente escalable, importante para mejorar el rendimiento del reloj".
Los relojes atómicos, considerados durante mucho tiempo como el pináculo de la precisión, funcionan según el principio de medir la frecuencia de la luz absorbida o emitida por los átomos. Cada tictac de estos relojes está gobernado por las oscilaciones de la superposición cuántica de electrones dentro de estos átomos, estimuladas por la energía correspondiente de un láser de sonda. El láser excita los átomos a un estado cuántico conocido como estado de reloj.
Mientras que los relojes de red óptica más tradicionales utilizan una red óptica unidimensional, suprimiendo los movimientos de los átomos sólo a lo largo de una dirección fuertemente confinada, el reloj de gas cuántico de estroncio utilizado en este estudio confinó los átomos en todas direcciones colocándolos en una disposición cúbica. Si bien el uso de una red 3D es una geometría de reloj atractiva, también requiere preparar un gas cuántico de átomos ultrafrío y cargarlos cuidadosamente en la red.
"Es más complicado, pero tiene algunas ventajas únicas, ya que el sistema presenta más propiedades cuánticas", explica Milner.
En física cuántica, la disposición espacial de las partículas influye decisivamente en su comportamiento. Con su uniformidad y equilibrio, la red cúbica creó un entorno controlado donde las interacciones atómicas eran observables y manipulables con una precisión sin precedentes.
Utilizando la red cúbica, Ross Hutson (recién graduado de doctorado de JILA), Milner y otros investigadores del laboratorio de Ye pudieron facilitar y medir las interacciones dipolo-dipolo entre los átomos de estroncio. Estos cambios, normalmente tan pequeños que se desprecian, surgen de la interferencia colectiva entre los átomos que se comportan como dipolos cuando se preparan en una superposición de los dos estados del reloj.
Debido a que el orden espacial de los átomos dentro de la red cúbica influye en el acoplamiento dipolar, los investigadores podrían amplificar o disminuir las interacciones dipolares manipulando el ángulo del láser del reloj con respecto a la red. Operando en un ángulo especial, el ángulo de Bragg, los investigadores esperaban una fuerte interferencia constructiva y observaron un cambio de frecuencia correspondientemente mayor.
Al ocurrir interacciones dipolo-dipolo más fuertes dentro de la red, los investigadores descubrieron que estas interacciones creaban cambios de energía locales en todo el sistema de reloj.
Estos cambios de energía, o cambios Lamb cooperativos, son efectos muy pequeños que normalmente son difíciles de detectar. Cuando se agrupan muchos átomos, como en la red de un reloj cúbico, estos cambios se convierten en un asunto colectivo y se revelan mediante la precisión de medición del reloj recién lograda. Si no se controlan, pueden afectar la precisión de los relojes atómicos.
"Estos [cambios fueron] propuestos inicialmente en 2004 como algo futurista de qué preocuparse [por la precisión del reloj]", añade Milner. "Ahora, de repente, son más relevantes [a medida que se añaden más átomos a la red]".
Como si medir estos cambios no fuera lo suficientemente interesante, aún más interesante fue que los investigadores vieron que los cambios cooperativos de Lamb no eran uniformes en toda la red, sino que variaban dependiendo de la ubicación específica de cada átomo.
Esta variación local es significativa para la medición del reloj:implica que la frecuencia a la que oscilan los átomos y, por tanto, el "tictac" del reloj, podría diferir ligeramente de una parte de la red a otra. Esta dependencia espacial de los cambios cooperativos de Lamb es un cambio sistemático importante que debemos comprender a medida que los investigadores se esfuerzan por mejorar la precisión del cronometraje.
"Al medir estos cambios y verlos alinearse con nuestros valores previstos, podemos calibrar el reloj para que sea más preciso", afirma Milner.
A partir de sus mediciones, el equipo se dio cuenta de que había una estrecha conexión entre los cambios cooperativos de Lamb y la dirección de propagación del láser de la sonda de reloj dentro de la red. Esta relación les permitió encontrar un ángulo específico donde se observó un "cruce por cero" y el signo del cambio de frecuencia pasó de positivo a negativo.
"Es un estado cuántico particular que experimenta un desplazamiento Lamb colectivo cero (superposición igual del estado fundamental y el estado excitado)", explica el estudiante graduado de JILA, Lingfeng Yan. Jugar con la conexión entre el ángulo de propagación del láser con respecto a la red cúbica y los cambios cooperativos de Lamb ha permitido a los investigadores afinar aún más el reloj para que sea más robusto contra estos cambios de energía.
Más allá de controlar y minimizar estas interacciones dipolo-dipolo en la red cúbica, los investigadores de JILA esperan utilizar estas interacciones para explorar la física de muchos cuerpos en su sistema de reloj.
"Hay algo de física realmente interesante porque tienes estos dipolos que interactúan", explica Milner, "así que personas, como Ross Hutson, tienen ideas para incluso usar potencialmente estas interacciones dipolo-dipolo para apretar el espín [un tipo de entrelazamiento cuántico] para hacer relojes aún mejores."
Más información: Ross B. Hutson et al, Observación de cambios cooperativos de Lamb a nivel de milihercios en un reloj atómico óptico, Ciencia (2024). DOI:10.1126/ciencia.adh4477
Información de la revista: Ciencia
Proporcionado por JILA
