28 de diciembre del 2016 (GD). En la última edición de Physical Review Letters, investigadores MIT presentan una manera de hacer interferometría del átomo con condensados de Bose-Einstein aún más precisas, eliminando una fuente de error endémico de diseños anteriores.
Los Interferómetros que utilizan el nuevo diseño podrían ayudar a resolver algunas cuestiones fundamentales en la física, como la naturaleza de los Estados intermedios entre la descripción cuántica de la materia, que prevalece en escalas muy pequeñas y la descripción newtoniana que depende de la ingeniería de todos los días.
La Interferometría del átomo es la técnica más sensible conocida para medir las fuerzas gravitacionales y fuerzas inerciales como aceleración y rotación. Es uno de los pilares de la investigación científica y se comercializa como un medio de seguimiento de la ubicación en entornos donde el GPS no está disponible. También es extremadamente sensible a los campos eléctricos y se ha utilizado para realizar mediciones por minuto de propiedades eléctricas fundamentales de los elementos.
«La idea aquí es que los condensados de Bose-Einstein son en realidad bastante grandes, » dice William Burton, un estudiante graduado del MIT en física y primer autor del artículo, junto a su asesor, el profesor de física, Wolfgang Ketterle, que ganó en el 2001 el Premio Nobel de física por su pionero trabajo en los condensados de Bose-Einstein, y otros cuatro miembros del Centro de átomos ultrafríos del MIT-Harvard, que dirige Ketterle.
Los Condensados de Bose-Einstein son grupos de átomos que, cuando se enfrian casi al cero absoluto, todos habitan en exactamente el mismo estado cuántico. Esto les da un número de propiedades inusuales, entre ellos, una extrema sensibilidad a la perturbación por fuerzas externas.
Un enfoque común a la construcción de un interferómetro de condensado de Bose-Einstein consiste en suspender una nube de átomos — el condensado — en una cámara y luego disparar un rayo láser en él para producir una onda. Si una onda está pensada como una línea ondulada con crestas y valles, se produce cuando una onda se alinea exactamente con su reflejo. Entonces los puntos de transición (puntos cero) entre el valle y la cresta de la onda y su reflejo son idénticos.
La onda divide el condensado en aproximadamente en igual tamaño racimos de átomos, cada uno con su propio condensado. En el experimento de los investigadores MIT, por ejemplo, la onda se divide aproximadamente en 20.000 átomos de rubidio en 10 grupos de cerca de 2.000, cada uno, suspendidos en un «well» entre dos puntos cero de la onda. Se sabe que cuando fuerzas exteriores actúan en el condensado, la trampa láser les impide moverse. Pero cuando el láser se apaga, se amplían los condensados, y su energía refleja las fuerzas de que fueron objeto. Una luz brillante a través de la nube de átomos produce un patrón de interferencia que permite calcular la energía y, por tanto, la fuerza de los condensados experimentados.
Esta técnica ha permitido obtener las mediciones más precisas de las fuerzas inerciales y gravitacionales en el registro. Pero tiene un problema: la división de los condensados en grupos separados no es perfectamente uniforme. Un pozo de la onda puede contener, de un lado 1.950 átomos y del otro lado 2.050 átomos. Este desequilibrio produce diferencias de energía entre pozos que introducen errores en la medición de la energía final, limitando su precisión.
Para resolver este problema, Burton, Ketterle y sus colegas utilizan condensados no uno sino dos como punto de partida para su interferómetro. Además de atrapar los condensados con un laser, ellos también los someten a un campo magnético.
Ambos condensados consisten en átomos de rubidio, pero tienen diferentes giros, una propiedad cuántica que describe su alineación magnética. La onda derecha segrega dos grupos de átomos, pero sólo uno de ellos, los átomos de la desaceleración, sienten el campo magnético. Eso significa que los átomos en el otro grupo, los átomos de spin-up — son libres para pasar well a well la onda.
Ya que un exceso relativo de átomos de la desaceleración en un grupo well le da un impulso leve en energía, se tocan algunos de sus átomos de spin-up en los pozos vecinos. Los átomos tienen un giro aleatorio alrededor de la onda hasta que cada well tiene el mismo número de átomos. Al final del proceso, cuando se leen las energías de los átomos, los átomos de giro corrigen los desequilibrios entre los átomos de la desaceleración.
Los Condensados de Bose-Einstein son interesantes porque exhiben efectos cuánticos relativamente a gran escala, y las descripciones cuánticas de los sistemas físicos generalmente reflejan la dualidad onda-partícula: el hecho de que, en escalas suficientemente pequeñas, la materia exhibe comportamientos característicos de las partículas y las ondas. Los condensados en los experimentos de los investigadores MIT pueden así considerarse como ondas, con sus longitudes de onda, amplitudes y fases.
Al hacer interferometría del átomo, los racimos de átomos atrapados por el láser deben estar en fase, lo que significa que los canales y crestas de sus olas están alineadas. Los investigadores mostraron que su método de «blindar» mantiene los condensados en fase mucho más tiempo de lo que antes era posible, lo que debería mejorar la exactitud de la interferometría del átomo.
«Una de las grandes expectativas para condensados de Bose-Einstein [BECs], que se destacó en la cita de Nobel, fue que conducen a aplicaciones», dice Dominik Schneble, profesor asociado de física en la Universidad de Stony Brook. «Y una de esas aplicaciones es la interferometría del átomo».
«Pero las interacciones entre BECs básicamente dan lugar a la eliminación, que no puede ser muy bien controlads», dice Schneble. «Ha sido un método para apagar las interacciones. En ciertos elementos, uno puede hacer esto muy bien. Pero no es una propiedad universal. Lo que están haciendo en este trabajo es que están diciendo, «aceptamos el hecho de que las interacciones están allí, pero estamos utilizando interacciones tales que no sólo no es un problema sino que también soluciona otros problemas. Es muy elegante y muy inteligente. Se ajusta a la situación como un guante natural».