En un nuevo estudio, los físicos de la Universidad de Colorado Boulder han utilizado una nube de átomos enfriados a temperaturas increíblemente frías para medir simultáneamente la aceleración en tres dimensiones, una hazaña que muchos científicos no creían que fuera posible.
El dispositivo, un nuevo tipo de “interferómetro” de átomo, podría algún día ayudar a las personas a navegar submarinos, naves espaciales, automóviles y otros vehículos con mayor precisión.
“Los interferómetros de átomos tradicionales solo pueden medir la aceleración en una sola dimensión, pero vivimos dentro de un mundo tridimensional”, dijo Kendall Mehling, coautor del nuevo estudio y estudiante graduado en el Departamento de Física de CU Boulder. “Para saber a dónde voy y saber dónde he estado, necesito rastrear mi aceleración en las tres dimensiones”.
Los investigadores publicaron su artículo, titulado “Acelerometría de átomos vectoriales en una crimson óptica”, este mes en la revista Avances científicos. El equipo incluía a Mehling; Catie Ledesma, una investigadora postdoctoral en física; y Murray Holland, profesor de física y miembro de Jila, un instituto conjunto de investigación entre CU Boulder y el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST).
En 2023, la NASA otorgó a los investigadores de CU Boulder una subvención de $ 5.5 millones a través del Instituto Quantum Pathways de la agencia para continuar desarrollando la tecnología de sensores.
El nuevo dispositivo es una maravilla de la ingeniería: Holanda y sus colegas emplean seis láseres tan delgados como un cabello humano para fijar una nube de decenas de miles de átomos de rubidio en su lugar. Luego, con la ayuda de la inteligencia synthetic, manipulan esos láseres en patrones complejos, lo que permite al equipo medir el comportamiento de los átomos a medida que reaccionan a pequeñas aceleraciones, como presionar el pedal de fuel en su automóvil.
Hoy, la mayoría de los vehículos rastrean la aceleración de GPS y dispositivos electrónicos tradicionales o “clásicos” conocidos como acelerómetros. El dispositivo cuántico del equipo tiene un largo camino por recorrer antes de que pueda competir con estas herramientas. Pero los investigadores ven muchas promesas para la tecnología de navegación basada en átomos.
“Si deja un sensor clásico en diferentes entornos durante años, envejecerá y decaerá”, dijo Mehling. “Los resortes en su reloj cambiarán y la deformación. Los átomos no envejecen”.
Huellas dactilares de movimiento
Los interferómetros, de una forma u otra, han existido durante siglos, y se han utilizado para hacer todo, desde transportar información sobre fibras ópticas hasta buscar ondas gravitacionales o ondas en el tejido del universo.
La thought common implica separar las cosas y volver a unirlas, no muy a diferencia de la desabrochación, y luego volver a colocar una chaqueta.
En la interferometría láser, por ejemplo, los científicos primero brillan una luz láser, luego la dividen en dos vigas idénticas que viajan por dos caminos separados. Finalmente, reúnen los rayos. Si los láseres han experimentado efectos divergentes a lo largo de sus viajes, como la gravedad que actúa de diferentes maneras, es posible que no se combinen perfectamente cuando se recombinan. Dicho de manera diferente, la cremallera podría atascarse. Los investigadores pueden hacer mediciones basadas en cómo las dos vigas, una vez idénticas, ahora interfieren entre sí, de ahí el nombre.
En el estudio precise, el equipo logró la misma hazaña, pero con átomos en lugar de luz.
Así es como funciona: el dispositivo actualmente encaja en un banco sobre el tamaño de una mesa de hockey de aire. Primero, los investigadores enfrían una colección de átomos de rubidio hasta temperaturas solo unas pocas mil millones de grado por encima del cero absoluto.
En ese reino frígido, los átomos forman un misterioso estado cuántico de la materia conocido como un condensado de Bose-Einstein (BEC). Carl Wieman, entonces físico de CU Boulder, y Eric Cornell de Jila ganaron un Premio Nobel en 2001 por crear el primer BEC.
A continuación, el equipo usa la luz láser para sacudir los átomos, separándolos. En este caso, eso no significa que los grupos de átomos se estén separando. En cambio, cada átomo particular person existe en un estado cuántico fantasmal llamado superposición, en el que puede ser simultáneamente en dos lugares al mismo tiempo.
Cuando los átomos se separan y se separan, esos fantasmas se alejan entre sí siguiendo dos caminos diferentes. (En el experimento precise, los investigadores en realidad no movieron el dispositivo en sí, sino que usaron láseres para empujar los átomos, causando aceleración).
“Nuestro condensado de Bose-Einstein es un estanque de onda de materia hecha de átomos, y arrojamos piedras hechas de pequeños paquetes de luz en el estanque, enviando ondas tanto a la izquierda como a la derecha”, dijo Holland. “Una vez que las ondas se han extendido, las reflejamos y las volvemos a unir donde interfieren”.
Cuando los átomos se vuelven juntos, forman un patrón único, al igual que las dos vigas de luz láser que se juntan pero más complejas. El resultado se asemeja a un estampado de pulgar en un vaso.
“Podemos decodificar esa huella digital y extraer la aceleración que experimentaron los átomos”, dijo Holland.
Planificación con computadoras
El grupo pasó casi tres años construyendo el dispositivo para lograr esta hazaña.
“Por lo que es, el dispositivo experimental precise es increíblemente compacto. Aunque tenemos 18 haces láser que pasan por el sistema de vacío que contiene nuestra nube de átomos, todo el experimento es lo suficientemente pequeño como para poder desplegar en el campo algún día”, dijo Ledesma.
Uno de los secretos de ese éxito se scale back a una técnica de inteligencia synthetic llamada aprendizaje automático. Holanda explicó que dividir y recombinar los átomos de rubidio requiere ajustar los láseres a través de un proceso complejo de múltiples pasos. Para optimizar el proceso, el grupo capacitó a un programa de computadora que puede planificar esos movimientos con anticipación.
Hasta ahora, el dispositivo solo puede medir aceleraciones varios miles de veces más pequeñas que la fuerza de la gravedad de la Tierra. Las tecnologías disponibles actualmente pueden hacerlo mucho mejor.
Pero el grupo continúa mejorando su ingeniería y espera aumentar el rendimiento de su dispositivo cuántico muchas veces en los próximos años. Aún así, la tecnología es un testimonio de cuán útiles pueden ser los átomos.
“No estamos exactamente seguros de todas las posibles ramificaciones de esta investigación, porque abre una puerta”, dijo Holland.
