Los átomos interfieren uno a uno

Físicos de Estados Unidos aseguran 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” el 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 pueda parecer) 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.

Estos experimentos se han realizado anteriormente usando grandes conjuntos de átomos, creando de manera efectiva pulsos de átomos que viajaron 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 en 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 alta producción atómica para aumentar la señal en el detector y, por tanto, carecen de control  en el nivel de 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 Sandia National Laboratories en Nuevo México. Su técnica difiere de experimentos anteriores en que cada átomo empieza y termina su viaje en unas pinzas ópticas; una 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 fueron desconectadas después, permitiendo que el átomo pasara a  caída libre.

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 empuja hacia abajo al átomo que asciende o empuja 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 provoque 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 este término al hecho de que el átomo no está unido, lo que permite que sus estados se separen en el espacio.

Paul Hamilton de la Universidad de California en Berkeley, que no estuvo implicado en el estudio, dijo a Physicsworld que los investigadores de Sandia “demostraron una interferometría completa y una estabilidad impresionante a largo plazo” y asegura 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 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 en 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  teorías de gravedad no-newtoniana en 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 en arXiv

Autor: Hamish Johnston

Enlace original: Atoms interfere one at time