Por primera vez, los científicos han realizado interferometría de átomos en el espacio

Para realizar algunas de las mediciones más precisas que podemos del mundo que nos rodea, los científicos tienden a ir en pequeño, hasta la escala atómica, utilizando una técnica llamada interferometría atómica.

Ahora, por primera vez, los científicos han realizado este tipo de medición en el espacio, utilizando un cohete sonoro especialmente diseñado para transportar cargas científicas al espacio terrestre bajo.

Es un paso significativo hacia la posibilidad de realizar interferometría de ondas de materia en el espacio, para aplicaciones científicas que van desde la física fundamental hasta la navegación.

“Hemos establecido la base tecnológica para la interferometría de átomos a bordo de un cohete sonda y hemos demostrado que tales experimentos no solo son posibles en la Tierra, sino también en el espacio”. dijo el físico Patrick Windpassinger de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz en Alemania.

La interferometría es un concepto relativamente simple. Usted toma dos ondas idénticas, las separa, las recombina y usa la pequeña diferencia entre ellas, llamada cambio de fase, para medir la fuerza que causó esa distancia.

A esto se le llama patrón de interferencia. Un ejemplo famoso es el interferómetro de luz de LIGO que mide ondas gravitacionales: Un rayo de luz se divide en dos túneles de millas de largo, rebota en los espejos y se recombina. El patrón de interferencia resultante se puede utilizar para detectar las ondas gravitacionales causadas por la colisión. agujeros negros a millones de años luz de distancia.

La interferometría de átomos, que aprovecha el comportamiento ondulatorio de los átomos, es un poco más complicada de lograr, pero tiene la ventaja de un aparato mucho más pequeño. Sería muy útil en el espacio, donde podría usarse para medir cosas como la gravedad con un alto nivel de precisión; por eso, un equipo de investigadores alemanes ha estado trabajando durante años para intentar que esto suceda.

El primer paso es crear un Estado de la materia llamado a Condensado de Bose-Einstein. Estos se forman a partir de átomos enfriados a solo una fracción por encima del cero absoluto (pero sin llegar al cero absoluto, momento en el que los átomos dejan de moverse). Esto hace que se hundan a su estado de energía más baja, se mueven extremadamente lentamente y se superponen en superposición cuántica, produciendo una nube de átomos de alta densidad que actúa como un ‘superátomo’ u onda de materia.

Este es un punto de partida ideal para la interferometría, porque todos los átomos se comportan de manera idéntica, y el equipo logró la creación de un condensado de Bose-Einstein en el espacio por primera vez utilizando su cohete de sondeo en 2017, con un gas de átomos de rubidio.

“Para nosotros, este conjunto ultrafrío representó un punto de partida muy prometedor para la interferometría de átomos”, Windpassinger dijo.

Para la siguiente etapa de su investigación, tuvieron que separar y recombinar los átomos superpuestos. Una vez más, los investigadores crearon su condensado de rubidio Bose-Einstein, pero esta vez usaron láseres para irradiar el gas, haciendo que los átomos se separen y luego vuelvan a unirse en superposición.

interferenciaPatrones de interferencia observados en el condensado de Bose-Einstein. (Lachmann y col., Nat. Commun., 2021)

El patrón de interferencia resultante mostró una clara influencia del entorno de microgravedad del cohete sonoro, lo que sugiere que con un poco de refinamiento, la técnica podría usarse para medir este entorno con alta precisión.

El siguiente paso de la investigación, planificada para 2022 y 2023, es intentar la prueba nuevamente utilizando condensados ​​separados de Bose-Einstein de rubidio y potasio para observar su aceleración en caída libre.

Dado que los átomos de rubidio y potasio tienen masas diferentes, este experimento será, dijeron los investigadores, una prueba interesante del principio de equivalencia de Einstein, que establece que la gravedad acelera todos los objetos por igual, independientemente de su propia masa.

El principio ha sido investigado en el espacio antes, como se puede observar en el famoso experimento de pluma y martillo realizado por el comandante del Apolo 15 David Scott en la Luna. El principio de equivalencia es una de las piedras angulares de relatividad general, y la relatividad tiende a fallar en el reino cuántico, por lo que los experimentos planeados van a ser realmente muy interesantes.

Y solo se volverá más interesante en el futuro. Los cohetes sonoros suben y bajan vuelos suborbitales, pero hay planes para realizar aún más experimentos de condensado Bose-Einstein en la órbita de la Tierra.

“La realización de este tipo de experimento sería un objetivo futuro en los satélites o en la Estación Espacial Internacional ISS, posiblemente dentro de BECCAL, el Condensado Bose Einstein y Cold Atom Laboratory, que se encuentra actualmente en fase de planificación “, dijo el físico André Wenzlawski de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz en Alemania.

“En este caso, la precisión alcanzable no estaría limitada por el tiempo limitado de caída libre a bordo de un cohete”.

En solo unos pocos años, podríamos estar utilizando la interferometría atómica para aplicaciones como pruebas cuánticas de relatividad general, detección de ondas gravitacionales e incluso la búsqueda de materia oscura y energía oscura.

No podemos esperar a ver qué sucede a continuación.

La investigación del equipo se ha publicado en Comunicaciones de la naturaleza.

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