Desarrollan reloj atómico ultrapreciso para aplicaciones científicas

NotiPress

Físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) han desarrollado un nuevo tipo de reloj atómico. Este nuevo diseño puede permitir a los científicos explorar diversos campos como detectar fenómenos como la materia oscura y las ondas gravitacionales. Además de responder interrogantes como el efecto de la gravedad sobre el paso del tiempo y si el tiempo mismo cambia a medida que el universo envejece.

Investigadores del MIT informan, la construcción de un reloj atómico no mide una nube de átomos oscilantes aleatoriamente -como miden ahora los diseños de última generación- sino átomos entrelazados cuánticamente. Los átomos están correlacionados de una manera imposible según las leyes de la física clásica, y eso permite a los científicos medir las vibraciones de los átomos con mayor precisión“Los relojes atómicos ópticos mejorados por entrelazamiento tendrán el potencial de alcanzar una mayor precisión en un segundo que los relojes ópticos de última generación”, dice el autor principal Edwin Pedrozo-Peñafiel, del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.

Para mantener el tiempo perfecto, los relojes idealmente rastrearían las oscilaciones de un solo átomo. Desafortunadamente a esa escala, un átomo es tan pequeño y tendría un comportamiento de acuerdo a las misteriosas reglas de la mecánica cuántica. Al medirlo, se comportaría como una moneda lanzada al aire, haciendo posible su promedio solo cuando se realizan muchos lanzamientos y otorga así las probabilidades correctas. Esta limitación es denominada por los físicos como Límite cuántico estándar.

Simone Colombo, uno de los colaboradores del proyecto comentó “cuando aumenta el número de átomos, el promedio dado por todos estos átomos va hacia algo que da el valor correcto”. Por esta razón, los relojes atómicos de hoy están diseñados para medir un gas compuesto por miles del mismo tipo de átomo, con el fin de obtener una estimación de sus oscilaciones promedio. Un reloj atómico típico hace esto usando primero un sistema de láseres para acorralar un gas de átomos ultraenfriados en una trampa formada por un láser. Se envía un segundo láser muy estable, con una frecuencia cercana a la de las vibraciones de los átomos, para sondear la oscilación atómica y, por lo tanto, realizar un seguimiento del tiempo.

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Pese a ello, el límite cuántico estándar sigue funcionando, esto significa la existencia de cierto grado de incertidumbre, incluso entre miles de átomos, con respecto a sus frecuencias individuales exactas. Aquí es donde los científicos han demostrado que el entrelazamiento cuántico puede ayudar.

Este describe un estado físico no clásico, aquí los átomos de un grupo muestran resultados de medición correlacionados, aunque cada átomo individual se comporta como el lanzamiento aleatorio de una moneda. El equipo razonó, si los átomos están entrelazados, sus oscilaciones individuales se tensarían alrededor de una frecuencia común, con menos desviación que si no estuvieran entrelazados. Las oscilaciones promedio medidas por un reloj atómico, por lo tanto, tendrían una precisión más allá del límite cuántico estándar.

Con el nuevo modelo de reloj atómico, los científicos entrelazaron alrededor de 350 átomos de iterbio, haciéndolo oscilar a la misma frecuencia de la luz visible. Esto significa que cualquier átomo vibra 100.000 veces más a menudo en un segundo a diferencia del cesio. Si las oscilaciones de iterbio se pueden rastrear con precisión, los científicos pueden usar los átomos para distinguir intervalos de tiempo cada vez más pequeños.

“Es como si la luz sirviera como enlace de comunicación entre los átomos”, explica el científico Chi Shu“El primer átomo que ve esta luz modificará la luz ligeramente, y esa luz también modificará el segundo átomo y el tercer átomo, y a través de muchos ciclos, los átomos se conocen colectivamente y comienzan a comportarse de manera similar”.

De esta manera, los investigadores entrelazan cuánticamente los átomos y luego usan otro láser, similar a los relojes atómicos existentes, para medir su frecuencia promedio. Cuando el equipo realizó un experimento similar sin entrelazar átomos, descubrieron que el reloj atómico con átomos entrelazados alcanzaba la precisión deseada cuatro veces más rápido. Vladan Vuletic, profesor de física del MIT comentó, “Siempre puede hacer que el reloj sea más preciso midiendo más tiempo. La pregunta es cuánto tiempo se necesita para alcanzar cierta precisión. Muchos fenómenos deben medirse en escalas de tiempo rápidas “.