Los átomos interfieren uno a uno

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.

Luces © by Not-so-gnar productions™


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
Enlace Original

Comparte:
  • Print
  • Digg
  • StumbleUpon
  • del.icio.us
  • Facebook
  • Twitter
  • Google Bookmarks
  • Bitacoras.com
  • Identi.ca
  • LinkedIn
  • Meneame
  • Netvibes
  • Orkut
  • PDF
  • Reddit
  • Tumblr
  • Wikio
This page is wiki editable click here to edit this page.

Like This Post? Share It

Comments (6)

  1. Fandila

    ¿Como sabría el experimentador cuantas veces va y viene el átomo de una pinza a a la otra, en lo que aparenta ser un solo desplazamiento?

  2. Información Bitacoras.com…

    Valora en Bitacoras.com: 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 ……

  3. [...] pm y archivada en Fí­sica. Puedes seguir cualquier respuesta a esta entrada a través del feed RSS 2.0. Puedes dejar una respuesta, o trackback desde tu propio sitio web. [...]

  4. jUAN

    Entonces, ¿el experimento de la doble rendija nunca se hizo lanzado átomos de uno en uno?

    • Fandila

      Según el principio de indeterminación de Heisenberg, no. La onda partícula no es algo “concreto” sino una probabilidad de estar en una zona o región determinada. Supongo que sea por las altas velocidades y la dificultad de las medidas.
      No sé exactamente la precisión que el experimento pueda tener, por eso me hago la pregunta. El que la partícula vaya y venga por caminos distintos puede significar esa indefinición o indeterminación. La onda o manera en que el conjunto del átomo se mueve, variará, según el resultado cambiante aunque dentro de unos límites de las componentes internas. Esa es mi idea.

    • oscar

      Pues sí, parece que se hizo el experimento: “En 1974 fue posible realizar el experimento en su forma más ambiciosa, electrón a electrón, comprobando las hipótesis mecanocuánticas predichas por Richard Feynman. Este experimento fue realizado por un grupo italiano liderado por Pier Giorgio Merli y repetido de manera más concluyente en 1989 por un equipo japonés liderado por Akira Tonomura y que trabajaba para la compañía Hitachi. El experimento de la doble rendija electrón a electrón se explica a partir de la interpretación probabilística de la trayectoria seguida por las partículas.”

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos necesarios están marcados *