La materia tiene naturaleza dual; todo existe tanto como partícula como como onda. A una temperatura cercana al cero absoluto, la naturaleza ondulatoria de los átomos se vuelve observable mediante radiación en el rango visible. A temperaturas tan ultrafrías en el rango de nanoKelvin, los átomos se fusionan en una sola entidad más grande y pasan al quinto estado llamado Condensado de Bose Eisenstein (BEC), que se comporta como una onda en un paquete grande. Como todas las ondas, los átomos en este estado presentan el fenómeno de interferencia y los patrones de interferencia de las ondas atómicas se pueden estudiar en los laboratorios. Los interferómetros atómicos instalados en el entorno de microgravedad del espacio actúan como sensores extremadamente precisos y brindan la oportunidad de medir las aceleraciones más débiles. El Laboratorio de Átomo Frío (CAL) del tamaño de una mini nevera que orbita la Tierra a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS) es una instalación de investigación para el estudio de gases cuánticos ultrafríos en el entorno de microgravedad del espacio. Se actualizó con el interferómetro atómico hace unos años. Según el informe publicado el 13 de agosto de 2024), los investigadores han realizado con éxito experimentos pioneros. Pudieron medir las vibraciones de la ISS utilizando un interferómetro Mach-Zehnder de tres pulsos a bordo de la instalación CAL. Esta fue la primera vez que se utilizó un sensor cuántico en el espacio para detectar cambios en el entorno inmediato. El segundo experimento implicó el uso de interferometría de ondas transversales de Ramsey para manifestar patrones de interferencia en una sola ejecución. Los patrones fueron observables durante más de 150 ms de tiempo de expansión libre. Esta fue la demostración más larga de la naturaleza ondulatoria de los átomos en caída libre en el espacio. El equipo de investigación también midió el retroceso del fotón láser de Bragg como demostración del primer sensor cuántico que utiliza interferometría atómica en el espacio. Estos avances son significativos. Como son los sensores más precisos, los interferómetros de átomos ultrafríos basados en el espacio pueden medir aceleraciones extremadamente débiles, por lo que ofrecen oportunidades para que los investigadores exploren cuestiones (como la materia y la energía oscuras, la asimetría materia-antimateria, la unificación de la gravedad con otros campos). que la Relatividad General y el Modelo Estándar de la física de partículas no pueden explicar ni llenar el vacío en nuestra comprensión del universo.
Las ondas presentan el fenómeno de interferencia, es decir, dos o más ondas coherentes se combinan para dar lugar a una onda resultante que puede tener una amplitud mayor o menor dependiendo de las fases de las ondas combinadas. En el caso de la luz, vemos ondas resultantes en forma de franjas oscuras y claras.
La interferometría es un método para medir características utilizando el fenómeno de la interferencia. Implica dividir la onda incidente en dos haces que viajan por caminos diferentes y luego se combinan para formar un patrón de interferencia resultante o franjas (en el caso de la luz). El patrón de interferencia resultante es sensible a los cambios en las condiciones de las trayectorias de los haces; por ejemplo, cualquier cambio en la longitud de la trayectoria o en cualquier campo en relación con la longitud de onda influye en el patrón de interferencia y puede usarse para mediciones.
Onda de De Broglie u onda de materia
La materia tiene naturaleza dual; existe tanto como partícula como como onda. Cada partícula u objeto en movimiento tiene una característica de onda dada por la ecuación de De Broglie.
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
donde λ es la longitud de onda, h es la constante de Planck, m es la masa, v es la velocidad de la partícula, p es el momento, K es la constante de Boltzmann y T es la temperatura en Kelvin.
La longitud de onda térmica de Broglie es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura en kelvin, lo que significa que λ será mayor a temperatura más baja.
Estudio de ondas atómicas ultrafrías.
Para un átomo típico, la longitud de onda de De Broglie a temperatura ambiente es del orden de angstrom (10-10 m) a saber. 0.1 nanómetros (1 nm=10-9 metro). Una radiación de una longitud de onda determinada puede resolver detalles en el mismo rango de tamaño. La luz no puede resolver detalles más pequeños que su longitud de onda, por lo que no se pueden obtener imágenes de un átomo típico a temperatura ambiente utilizando luz visible que tiene una longitud de onda en el rango de aproximadamente 400 nm a 700 nm. Los rayos X pueden funcionar debido a su longitud de onda de rango angstrom, pero su alta energía destruye los mismos átomos que se supone que deben observar. Por tanto, la solución radica en reducir la temperatura del átomo (por debajo de 10-6 Kelvin) de modo que las longitudes de onda de De Broglie de los átomos aumentan y se vuelven comparables a las longitudes de onda de la luz visible. A temperaturas ultrafrías, la naturaleza ondulatoria de los átomos se vuelve medible y relevante para la interferometría.
A medida que la temperatura de los átomos se reduce aún más en el rango de nanokelvin (10-9 Kelvin) oscilan hasta aproximadamente 400 nK, los bosones atómicos pasan al quinto estado, materia llamada condensado de Bose-Einstein (BCE). A temperaturas tan ultrabajas cercanas al cero absoluto, cuando los movimientos térmicos de las partículas se vuelven extremadamente insignificantes, los átomos se fusionan en una sola entidad más grande que se comporta como una onda en un paquete grande. Este estado de los átomos brinda a los investigadores la oportunidad de estudiar sistemas cuánticos a escala macroscópica. El primer BCE atómico se creó en 1995 en un gas de átomos de rubidio. Desde entonces, esta área ha visto muchas mejoras en la tecnología. El BEC molecular de moléculas de NaC se creó recientemente a una temperatura ultrafría de 5 nanoKelvin (nK).
Las condiciones de microgravedad en el espacio son mejores para la investigación de la mecánica cuántica
La gravedad en los laboratorios terrestres requiere el uso de trampas magnéticas para mantener los átomos en su lugar para un enfriamiento efectivo. La gravedad también limita el tiempo de interacción con los BEC en los laboratorios terrestres. La formación de BEC en un entorno de microgravedad de laboratorios espaciales supera estas limitaciones. El entorno de microgravedad puede aumentar el tiempo de interacción y reducir las perturbaciones del campo aplicado, respaldando así mejor la investigación de la mecánica cuántica. Los BCE ahora se forman rutinariamente en condiciones de microgravedad en el espacio.
Laboratorio de Átomo Frío (CAL) en la Estación Espacial Internacional (ISS)
Cold Atom Laboratory (CAL) es una instalación de investigación multiusuario con sede en la Estación Espacial Internacional (ISS) para el estudio de gases cuánticos ultrafríos en el entorno de microgravedad del espacio. CAL se opera de forma remota desde el centro de operaciones del Laboratorio de Propulsión a Chorro.
En esta instalación espacial es posible tener tiempos de observación superiores a 10 segundos y temperaturas ultrafrías inferiores a 100 picoKelvin (1 pK= 10-12 Kelvin) para el estudio de los fenómenos cuánticos.
El Cold Atom Lab se lanzó el 21 de mayo de 2018 y se instaló en la ISS a finales de mayo de 2018. En julio de 2018 se creó un condensado de Bose-Einstein (BEC) en esta instalación espacial. Esta fue la primera vez; Se creó un quinto estado de la materia en la órbita terrestre. Posteriormente, la instalación fue mejorada tras el despliegue de interferómetros de átomos ultrafríos.
CAL ha logrado muchos hitos en los últimos años. Los condensados de rubidio Bose-Einstein (BEC) se produjeron en el espacio en 2020. También se demostró que el entorno de microgravedad es ventajoso para los experimentos con átomos fríos.
El año pasado, en 2023, los investigadores produjeron BEC de doble especie formado a partir de 87Rb y 41K y demostró interferometría atómica simultánea con dos especies atómicas por primera vez en el espacio en las instalaciones del Cold Atom Laboratory. Estos logros fueron importantes para las pruebas cuánticas de universalidad de caída libre (UFF) en el espacio.
Avance reciente en tecnologías cuánticas basadas en el espacio
Según el informe publicado el 13 de agosto de 2024), los investigadores emplearon 87Átomos de Rb en el interferómetro de átomos CAL y realizó con éxito tres experimentos de búsqueda de caminos. Pudieron medir las vibraciones de la ISS utilizando un interferómetro Mach-Zehnder de tres pulsos a bordo de la instalación CAL. Esta fue la primera vez que se utilizó un sensor cuántico en el espacio para detectar cambios en el entorno inmediato. El segundo experimento implicó el uso de interferometría de ondas transversales de Ramsey para manifestar patrones de interferencia en una sola ejecución. Los patrones fueron observables durante más de 150 ms de tiempo de expansión libre. Esta fue la demostración más larga de la naturaleza ondulatoria de los átomos en caída libre en el espacio. El equipo de investigación también midió el retroceso del fotón láser de Bragg como demostración del primer sensor cuántico que utiliza interferometría atómica en el espacio.
Importancia de los interferómetros de átomos ultrafríos desplegados en el espacio
Los interferómetros atómicos aprovechan la naturaleza cuántica de los átomos y son extremadamente sensibles a los cambios en la aceleración o los campos, por lo que tienen aplicaciones como herramientas de alta precisión. Los interferómetros atómicos terrestres se utilizan para estudiar la gravedad y en tecnologías de navegación avanzadas.
Los interferómetros atómicos espaciales tienen las ventajas de un entorno de microgravedad persistente que ofrece condiciones de caída libre con mucha menos influencia de los campos. También ayuda a que los condensados de Bose-Einstein (BEC) alcancen temperaturas más frías en el rango de picoKelvin y existan durante más tiempo. El efecto neto es un tiempo de observación prolongado y, por tanto, mejores oportunidades de estudiar. Esto dota a los interferómetros de átomos ultrafríos desplegados en el espacio de capacidades de medición de alta precisión y los convierte en supersensores.
Los interferómetros de átomos ultrafríos desplegados en el espacio pueden detectar variaciones muy sutiles en la gravedad, lo que es indicativo de variaciones en las densidades. Esto puede ayudar en el estudio de la composición de los cuerpos planetarios y cualquier cambio de masa.
La medición de alta precisión de la gravedad también puede ayudar a comprender mejor la materia y la energía oscuras y a explorar fuerzas sutiles más allá de la Relatividad General y el Modelo Estándar que describen el universo observable.
La Relatividad General y el Modelo Estándar son las dos teorías que describen el universo observable. El modelo estándar de física de partículas es básicamente la teoría cuántica de campos. Describe sólo el 5% del universo, el 95% restante está en formas oscuras (materia oscura y energía oscura) que no entendemos. El Modelo Estándar no puede explicar la materia y la energía oscuras. Tampoco puede explicar la asimetría materia-antimateria. De manera similar, la gravedad aún no pudo unificarse con los otros campos. La realidad del universo no está completamente explicada por las teorías y modelos actuales. Los gigantescos aceleradores y observatorios no pueden arrojar luz sobre muchos de estos misterios de la naturaleza. Como los sensores más precisos, los interferómetros de átomos ultrafríos basados en el espacio ofrecen oportunidades para que los investigadores exploren estas preguntas para llenar el vacío en nuestra comprensión del universo.
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Referencias:
- Meystre, Pierre 1997. Cuando los átomos se convierten en ondas. Disponible en https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Laboratorio de átomo frío - Misiones universales. Disponible en https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC y col. Observación de condensados de Bose-Einstein en un laboratorio de investigación en órbita terrestre. Naturaleza 582, 193-197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Mezclas cuánticas de gases e interferometría atómica de especies duales en el espacio. Naturaleza 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Williams, J.R., et al 2024. Pathfinder experimenta con interferometría atómica en el Cold Atom Lab a bordo de la Estación Espacial Internacional. Nat Commun 15, 6414. Publicado: 13 de agosto de 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Versión preimpresa https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- La NASA demuestra un sensor cuántico 'ultra-cool' por primera vez en el espacio. Publicado el 13 de agosto de 2024. Disponible en https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
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