Fuente: Ciencia Kanija
Artículo publicado por Hamish Johnston el 7 de septiembre de 2012 en physicsworld.com
Físicos de Estados Unidos dicen haber
sido los primeros en detectar la interferencia de un único átomo en
distancias mucho mayores que la longitud de coherencia del átomo. El
experimento implica usar unas pinzas ópticas y una secuencia de pulsos
láser para hacer “rebotar” al átomo a través de dos caminos distintos
que se encuentran aproximadamente tras 1 ms. El equipo dice que si puede
mejorarse la precisión del experimento, podría proporcionar nueva
información sobre la posible existencia de gravedad no Newtoniana a
distancias micrométricas. Los investigadores dicen que la técnica
también podría usarse para estudiar la diminuta fuerza que surge entre
un átomo y una superficie conductora, conocida como “efecto
Casimir–Polder”.
En el extraño mundo de la mecánica
cuántica, puede haber un átomo en superposición de dos o más
trayectorias hasta que se realiza una medida de su posición o momento.
Esta propiedad puede aprovecharse en un interferómetro de materia-onda,
en el cual – por extraño que parezca – un único átomo puede seguir dos
caminos diferentes hasta un detector. Las fuerzas sobre el átomo
provocarán un desplazamiento de fase relativo entre los dos caminos,
dando como resultado un desplazamiento en el patrón de interferencia
creado en la unión de ambos caminos.
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Tales experimentos se han realizado anteriormente usando grandes conjuntos de átomos, creando de manera efectiva pulsos de átomos que viajan a lo largo de cada camino. Los átomos crean entonces un patrón de interferencia en el detector, el cual puede medirse y usarse para deducir la constante gravitatoria o para buscar desviaciones de la teoría de la gravitación de Newton. Sin embargo, por el momento, no ha sido posible realizar una interferencia de materia-onda enviando átomos aislados a través del aparato, debido a que la mayor parte de los experimentos en interferómetros de pulsos dependen de una producción atómica alta para aumentar la señal en el detector y, por tanto, carecen de control determinista en el nivel de átomos aislados.
Controlando átomos aislados
La nueva técnica de átomos aislados de
materia-onda ha sido desarrollada por L Paul Parazzoli, Aaron Hankin y
Grant Biedermann en los Laboratorio Nacionales Sandia en Nuevo México.
Su técnica difiere de experimentos anteriores en que cada átomo empieza y
termina su viaje en unas pinzas ópticas – luz láser enfocada en una
pequeña región donde se mantiene el átomo.
Los investigadores de Sandia usaron una
nube de átomos ultrafríos de cesio atrapados y enfriados a 4,2 μK usando
una combinación de luz láser y campos magnéticos. Crearon pinzas
ópticas en el gas para poder mantener solo un átomo antes de lanzar un
pulso láser sobre el átomo para colocarlo en un estado cuántico
específico. Las pinzas ópticas se apagaban luego, permitiendo que el
átomo pasara a la caída libre.
Impulso arriba y abajo
Entonces el átomo se sometía a una
secuencia de pulsos de luz separados 500 μs. Los primeros pulsos
colocaban al átomo en una superposición de dos estados – uno que ha
recibido un impulso de un fotón hacia arriba y que provoca que se eleve,
y otro hacia abajo debido a que no ha recibido ningún impulso. El
segundo pulso impulsa hacia abajo al átomo que asciende o impulsa hacia
arriba al átomo que cae – siendo el resultado dos trayectorias que se
fusionarán en un punto 500 μs más tarde cuando un tercer pulso láser
provoca que sus caminos se solapen. Cuando los estados se fusionan se
vuelven a encender las pinzas y se mide el estado cuántico del átomo.
Todo el proceso se repite entonces
cientos de veces para determinar el desplazamiento de fase entre los dos
caminos y, por tanto, la fuerza gravitatoria sobre el átomo a un nivel
de 3 × 10–27 N.
Parazzoli, Hankin y Biedermann pudieron
ver el surgimiento de un claro patrón de interferencia cuando se
ajustaba la fase relativa de los pulsos láser, marcando el fenómeno de
auto-interferencia en átomos aislados. En sus experimentos, la
separación entre los dos estados atómicos era de hasta 3,5 μm, que es
más de 200 veces superior al tamaño de coherencia de los átomos usados.
Como resultado, el equipo afirma que es la primera demostración de
interferencia de un átomo aislado en “espacio libre” – refiriéndose con
espacio libre al hecho de que el átomo no está ligado, lo que permite
que sus estados se separen en el espacio.
“Realmente genial”
Paul Hamilton de la Universidad de California en Berkeley, que no estuvo implicado en el estudio, dijo a physicsworld.com que
los investigadores de Sandia “demostraron una interferometría completa y
una estabilidad impresionante a largo plazo”. Dice que el experimento
es “una demostración de libro de texto realmente genial sobre
interferencia de átomos aislados”.
Debido a que la técnica emplea un átomo
cada vez, el equipo de Sandia cree que podría usarse para hacer medidas
extremadamente localizadas de fuerzas muy cerca de las superficies, como
la fuerza Casimir–Polder que tiene lugar entre un átomo y una
superficie conductora. Al igual que la más familiar fuerza de Casimir,
esta fuerza surge a partir de la energía de punto cero del vació y tiene
implicaciones para el diseño y funcionamiento de dispositivos mecánicos
de tamaño micro y nanométrico.
El equipo también afirma que si puede
mejorarse la sensibilidad de la técnica en dos órdenes de magnitud,
podría usarse para establecer nuevas restricciones a las teorías de
gravedad no Newtoniana a escalas de longitud micrométrica. Es más, si se
halla que la gravedad no es Newtoniana en distancias tan minúsculas
podría proporcionar importantes pistas sobre cómo podría unificarse la
teoría de la gravedad con el Modelo Estándar de la física de partículas.
“Este tipo de interferómetro ha demostrado calibración absoluta en
otros casos, una característica que sería muy útil para detectar
desviaciones de la ley del cuadrado inverso a escalas micrométricas”,
dice Parazzoli.
La investigación se describe en un borrador de arXiv.Autor: Hamish Johnston
Fecha Original: 7 de septiembre de 2012
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