Se crea un condensado en caída libre

BEC en el experimento ZARMUn experimento de condensado Bose–Einstein – con lásers y todo – se ha dejado caer repetidamente desde una altura de 146 m. Diseñado por un equipo internacional de físicos, el experimento ha mostrado que los delicados sistemas cuánticos de múltiples partículas pueden crearse y analizarse en los entornos de microgravedad creados durante la caída libre. El resultado también sugiere que es posible lanzar experimentos similares al espacio, donde podrían comprobar las predicciones de la Teoría de la Relatividad General de Einstein.

Los condensados Bose–Einstein (BECs) se forman cuando átomos idénticos con espín entero son enfriados hasta que los átomos están en el mismo estado cuántico. Esto significa que un BEC consta de decenas de miles de átomos que se comportan como una única partícula cuántica. Los BECs pueden usarse en interferómetros de materia en los que una partícula cuántica se “divide” y se envía a lo largo de dos caminos distintos antes de recombinarse en un detector – de la misma forma que un pulso de luz en un interferómetro óptico. Aunque tales experimentos se han realizado con átomos aislados, su precisión se aumenta significativamente cuando se usa un BEC.

Dado que los BECs son objetos más masivos, son particularmente adecuados para los experimentos de interferometría que miden diminutas diferencias de gravedad entre dos rutas. Colocar interferómetros BEC en entornos de microgravedad tales como torres de caída o vuelos parabólicos, permitiría a los físicos comprobar aspectos de la relatividad general con una mayor precisión de la que hoy es posible. Estos incluyen efectos geodéticos y el efecto Lense–Thirring, el cual describe los efectos de distorsión del espacio de la masa y rotación de la Tierra respectivamente.

Enormes desafíos técnicos

No obstante, lanzar un BEC al espacio – o incluso dejarlo caer unos cientos de metros – implica unos enormes retos técnicos dado que el BEC debe prepararse y mantenerse en un vacío ultra-alto a temperaturas ultra-bajas en un proceso que implica la aplicación precisa de campos magnéticos y luz láser.

Ahora, Ernst Rasel y sus colegas de la Universidad Leibniz en Hanover, Alemania, han construido un experimento BEC completo que puede dejarse caer repetidamente desde una altura de 146 m. El equipo, el cual también incluye a investigadores de otras universidades en Alemania, el Reino Unido y Francia, empieza con un conjunto de unos 10 millones de átomos fríos de rubidio-87. Están cargados en una trampa magneto-óptica dentro de la capsula de caída – un cilindro de 215cm de largo con un radio de 60 cm. La cápsula está situada en la parte superior de la torre de caída ZARM en Bremen. Cuando está en caída libre, la gravedad dentro de la cápsula puede ser de apenas 10–5 de la la gravedad terrestre.

La cápsula es liberada y el equipo permite que caiga durante 1 segundo para que se atenúen las vibraciones iniciales de la cápsula. La caída libre continúa cuando los átomos son enfriados mediante una técnica láser conocida como “molasa óptica”, seguida de un enfriamiento evaporativo para crear un BEC de unos 10 000 átomos a aproximadamente 10 nK.

BEC en expansión

Luego, el BEC es liberado con cuidado del potencial de atrapamiento magnético, colocándolo en un estado de expansión muy lenta. Esto es necesario para periodos de observación larga, dado que una expansión más rápida haría que el condensado se diluyera demasiado pronto para fotografiarlo . lo cual se consigue haciendo brillar el láser sobre el BEC y mirando la sombra que arroja sobre una cámara CCD.

El equipo fue capaz de seguir el movimiento del BEC en relación a la cápsula cuando la caída libre siguió durante otro segundo. Encontraron que el centro de masas del BEC se movió unos 3mm en relación a la cápsula en este tiempo. Este movimiento no es de origen gravitatorio. En lugar de esto, el equipo ha demostrado que la mayor parte de este efecto se debe a los campos magnéticos residuales dentro del experimento.

El análisis de la expansión del BEC también reveló la presencia de campos residuales, los cuales se extendían a lo largo de BEC en dirección vertical y lo comprimían horizontalmente.

Rasel dijo a physicsworld.com que el equipo repetirá pronto sus medidas usando un BEC compuesto de átomos en un estado cuántico ligeramente distinto. Estos no se ven afectados por campos magnéticos residuales y por tanto llegarán a ser una mejor herramienta para medidas gravitatorias.

Se planea un interferómetro atómico

Mirando hacia el futuro, el equipo planea también construir un interferómetro atómico de microgravedad en el cual los átomos se dividen en dos estados y luego se recombinan mediante la absorción y emisión de fotones. También planean crear BECs que contengan dos tipos de átomos para ver si se comportan de la misma forma.

La investigación está parcialmente patrocinada por la Agencia Espacial Alemana, y Rasel espera que pueda llevar a que se estudien los BECs en el espacio. Tales experimentos podrían usarse para detectar ondas gravitatorias y la comparación de experimentos en el espacio y la Tierra podrían proporcionar test muy precisos del principio de equivalencia de la relatividad general.

Holger Mueller de la Universidad de California en Berkeley, dijo que el experimento “representa un importante hito” en el desarrollo de interferómetros atómicos que pueden desplegarse en el espacio. “La operación espacial requiere de nueva tecnología, que es muy, muy difícil de desarrollar”, añade.

El trabajo se describe en la revista Science.


Autor: Hamish Johnston
Fecha Original: 17 de junio de 2010
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