La Física es una ciencia experimental que, basada en la observación, estudia la naturaleza en todas sus escalas. A escala atómica y subatómica, en el mundo de las partículas subatómicas, átomos, fotones y sus interacciones, tratamos con la Física Cuántica.
A partir de la comprensión de los fenómenos cuánticos se ha desarrollado la tecnología que permite nuestra vida cotidiana, incluyendo la electrónica moderna basada en semiconductores y los láseres. En la actualidad, están en desarrollo nuevas tecnologías basadas en el control preciso de sistemas cuánticos individuales como: átomos [1, 2], iones atrapados [3, 4], y puntos cuánticos [5]. En este artículo daremos una breve introducción a la interferometría atómica y su aplicación en mediciones ultra precisas de la gravedad.
Cuando dos o más ondas se encuentran al mismo tiempo en un mismo lugar, estas dan lugar a una nueva onda que es la suma de las ondas originales. Este fenómeno es conocido como interferencia y sucede en cualquier proceso ondulatorio incluyendo a las ondas electromagnéticas, a las ondas sonoras e incluso a las funciones de onda que describen a los sistemas cuánticos.
Para estudiar la interferencia usamos un interferómetro: un instrumento en el que las ondas provenientes de una fuente son divididas en dos o más componentes, enviadas por diferentes caminos y al final recombinadas en un mismo lugar. Ahí, estas componentes interfieren entre sí de manera constructiva, destructiva o algo intermedio dependiendo de la diferencia entre los caminos que recorrieron. A la onda resultante la conocemos como la superposición de las ondas y al medirla lo que se obtiene es un conjunto de franjas brillantes y oscuras consecutivas conocido como el patrón de interferencia. Este patrón nos da información de la diferencia entre los caminos recorridos por cada onda con una precisión a nivel de una fracción de la longitud de la onda utilizada.
En el caso de un interferómetro óptico, tal resolución es típicamente del orden de cientos de nanómetros, una diezmilésima de milímetro. Así, la interferometría con ondas de luz nos permite realizar mediciones muy precisas con aplicaciones en telemetría, mapeo espacial de alta resolución (geología, arqueología, física atmosférica, altimetría) [6], vehículos autónomos [7], medición de ondas gravitacionales [8] e incluso oftalmología [9].
Por su parte, la interferometría atómica nos permite realizar mediciones de muy alta precisión utilizando interferencia de ondas de materia [10], con aplicaciones en la exploración no invasiva del subsuelo (arqueología, identificación de yacimientos de minerales y acuíferos, ver Fig. 1).
Figura 1. Exploración no invasiva del subsuelo con un gravímetro atómico portátil
La Figura 2 muestra una analogía simplificada entre un interferómetro de luz y uno atómico, en ella podemos apreciar el complemento entre luz y materia, siendo los pulsos de luz de duración e intensidad determinada los que desempeñan el rol de espejos y divisores de haz para las ondas de materia. Para la interferometría atómica es necesario contar con una fuente de átomos muy lentos, con una temperatura y densidad adecuadas para su manipulación, los cuales se conocen como átomos fríos. Estos átomos son descritos por una función de onda de acuerdo con el lenguaje de la mecánica cuántica misma que presenta interferencia al igual que cualquier otro tipo de onda.
En un interferómetro átomico, una trampa magneto óptica produce una nube de átomos fríos (Fig. 2, der., átomos de Rubidio 87), cuya distribución de velocidades es bastante angosta, lo cual es el equivalente a la fuente del interferómetro de luz que genera radiación con un estrecho intervalo de frecuencias. A continuación debemos separar y recombinar estas ondas de materia. Para esto se hace uso de la interacción entre la luz y la materia, en concreto el control de los estados atómicos se logra por medio de pulsos de luz generados por láseres. Estos pulsos de luz son herramientas que podemos controlar experimentalmente tanto en su duración como en su intensidad y pueden actuar como espejos o divisores de haz, dependiendo del tiempo de interacción: un pulso-\pi tiene la capacidad de cambiar la dirección del haz atómico como ocurriría en un espejo, mientras que un pulso-\pi/2 (éste último dura la mitad que un pulso-\pi) puede funcionar como un divisor de haces atómicos [11] (Fig. 2).
Figura 2. Para crear un interferómetro con ondas de luz (izquierda) es necesario contar con una fuente intensa, preferente- mente de un solo “color”, es decir, que su longitud de onda esté muy bien definida. También se requiere que esta luz sea muy bien colimada, esto es que la onda viaje mayoritariamente en una misma dirección. Además, es necesario contar con elementos ópticos, como espejos y divisores de haz, que nos permitan separar, recombinar y controlar los caminos que seguirán las ondas de luz. En analogía con esto, para desarrollar interferometría de alta precisión con ondas de materia (derecha) es necesario contar con una fuente de átomos intensa, que contenga un gran número de átomos idénticos. La longitud de onda (“color”) de la onda de materia es determinada por la velocidad de los átomos, por lo que también es necesario se desplacen con velocidades en un intervalo muy pequeño y bien definido. Asimismo, se necesita que la onda de materia esté bien colimada, esto es que los átomos viajen mayoritariamente en una misma dirección. Por último, para manipular a las ondas de materia se utilizan pulsos de luz que interactúen y ejerzan cambios en los átomos, tanto internos como en sus estados de movimiento.
¿Qué es Grávico? El primer gravímetro cuántico desarrollado en México
Grávico es una colaboración interinstitucional que reúne a algunos de los grupos de investigación expertos en manipulación de sistemas cuánticos en México [12]. Su objetivo principal es diseñar y construir un Gravímetro Cuántico portátil, que será el primer interferómetro atómico 100 por ciento hecho en México para medir la aceleración de la gravedad. Su diseño permitirá realizar mediciones de gravedad absoluta basadas en interferometría atómica.
Referencias
[1] P. Dizikes, “New ‘switch’ could power quantum computing”. Phys.org (2014)
[2] I. Cirac & P. Zoller, “New Frontiers in Quantum Information With Atoms and Ions”. Physics Today, 57, 38 (2004);
[3] C.R. Monroe & D. J. Wineland, “Quantum Computing with Ions [Re-Post]”. Scientific American (2018)
[4] IonQ, “Atoms make better quantum computer”. https://ionq.com/technology
[5] M.A. Reed, “Puntos cuánticos”, Investigación y Ciencia (1993)
[7] S. Taranovich, “Autonomous automotive sensors: How processor algorithms get their inputs”, Engineering Design Network (2016)
[6] C. E. M. Strauss, “Synthetic-array heterodyne detection: a single-element detector acts as an array”, Optics Letters 19, 1609 (1994).
[8] B. C. Barish & R. Weiss, “8 and the Detection of Gravitational Waves”, Physics Today, 52, 10, 44 (1999).
[9] G. Roessler, et al., «Partial Coherence Laser Interferometry in Highly Myopic versus Emmetropic Eyes», J. Ophthalmic & Vision Res. 9, 169, (2014).
[10] H. M. Hill, “Quantum sensor identifies underground tunnel”, Phys. Today, (2022)
[11] C. J. Foot. “Atomic Physics”. Oxford University Press (2005).
[12] www.gravico.com.mx
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