UNIVERSIDAD DEL PAÍS VASCO

Una peculiaridad de la física que llamó fantasmagórica aumenta la precisión de las medidas

Science publica la investigación en la que participa la UPV/EHU

Los átomos, los bloques constituyentes de la naturaleza, pueden ser usados como instrumentos de medida de altísima precisión. Por ejemplo, desde la década de los 60 el tiempo está definido a partir de la frecuencia de oscilación del átomo de Cesio, en un llamado “reloj atómico”. Para construir un reloj atómico de alta precisión, esta frecuencia de oscilación interna tiene que ser medida, y de ahí se obtiene la duración de un segundo. Aun cuando el aparato de medida fuera perfecto, la frecuencia no se podría medir con precisión arbitraria: hay un límite fundamental en la precisión, el llamado “límite Poissoniano”. Investigadores del Cluster of Excellence QUEST (Centro para la Ingeniería Cuántica y la Investigación del Espacio-tiempo) de la Universidad Leibniz en Hanover (Alemania), en colaboración con científicos de Italia, Dinamarca y de la Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea e Ikerbasque han traspasado este límite, como han publicado en la Science (“Twin matter waves for interferometry beyond the classical limit”, Science, Published online 13 October 2011, 10.1126/science.1208798).

En un reloj atómico, los átomos oscilan entre dos estados internos. Para determinar el intervalo de tiempo entre dos oscilaciones es necesario medir el número de tales oscilaciones. Por lo tanto, hay que determinar el número de átomos en cada uno de los estados. En este caso, los átomos se comportan como un gran número de dados. Si se tiran 100 dados simultáneamente y se cuenta el número de resultados pares e impares, el resultado más típico es 50 pares y 50 impares. Sin embargo, frecuentemente se encuentran pequeñas desviaciones de este resultado, como 48 pares y 52 impares. Estas desviaciones del valor esperado también se encuentran en el caso de los átomos, y la manera en la que se reparten obedece a la distribución descrita por el “límite Poissoniano”.

Utilizando efectos de la Mecánica Cuántica se pueden hacer mediciones más exactas que el límite Poissoniano. La Mecánica Cuántica predice que dos átomos pueden estar “entrelazados” entre sí. Estos átomos forman una pareja en el cual es imposible distinguir qué átomo es cada uno. Estas parejas corresponden a parejas de dados, los cuales milagrosamente producen exactamente un resultado par y otro impar. Si ahora lanzamos 100 dados entrelazados de esta manera, siempre obtendremos exactamente 50 resultados pares y 50 impares, y se supera el límite Poissoniano. Esta peculiaridad de la física se ha debatido durante mucho tiempo. Albert Einstein, en particular, tachó el entrelazamiento de “fantasmagórica acción a distancia”, y dijo: “Dios no juega a los dados”. Hoy, el entrelazamiento es una parte fundamental de nuestra comprensión de la naturaleza y su existencia se ha demostrado en multitud de experimentos.

En los experimentos de Hannover se ha demostrado que tales pares de átomos entrelazados se pueden producir a temperaturas extremadamente bajas. Para este propósito, los científicos enfriaron alrededor de diez mil átomos de rubidio hasta cerca de la temperatura más baja posible, de hecho una millonésima de grado por encima del cero absoluto. Así han puesto de manifiesto la producción de pares entrelazados. Los átomos de rubidio se comportan como pequeños imanes: su estructura interna obedece a campos magnéticos externos. Los átomos inicialmente preparados en posición horizontal forman pares con orientación arriba/abajo, que se corresponden con los resultados pares o impares de los dados. “En una serie de medidas, se ha demostrado que estos pares de átomos entrelazados son apropiados para medidas de alta precisión por encima del límite Poissoniano”, dice el doctor Philipp Hyllus, físico del departamento de Física Teórica e Historia de la Ciencia, Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU, e Ikerbasque. “Este proceso permitirá a los futuros relojes atómicos sacar ventajas del entrelazamiento, al que Einstein tachó de fantasmagórica acción a distancia”, añade Hyllus.

Experimentos con temperaturas ultra bajas:

Trabajar con temperaturas tan bajas requiere un método llamado “enfriamiento láser”, donde una nube de átomos en una cápsula de cristal se irradia con haces láser de alta potencia y longitud de onda determinada. La temperatura ultra baja final se alcanza por el método llamado “botijo” o “taza de café”, en el que los átomos más calientes son expulsados, al igual que ocurre con el vapor de agua que escapa de una taza de café caliente. La etapa final del proceso de enfriamiento genera un condensado de Bose-Einstein, el análogo a un láser, con los átomos jugando el papel de la luz. Condensados de Bose-Einstein de este tipo se producen rutinariamente desde que en 1995 se creasen por primera vez, lo que valió el Premio Nobel del 2001.

Fig. 1: Dados entrelazados. El entrelazamiento puede verse como el lanzamiento de unos dados mágicos. Si los dados están entrelazados, forman pares (diferenciado por el color de los dados), y cada dado individual puede dar cualquier resultado. Sin embargo, si uno de los dados de la pareja sale par, el otro saldrá impar. Einstein llamó a este efecto “fantasmagórica acción a distancia”.

Fig. 2: Medida del número de átomos. La nube ultrafría de átomos se crea con orientación magnética horizontal (pico central). Los átomos entrelazados se producen entonces con orientación bien hacia arriba (pico izquierdo), o hacia abajo (pico derecho). Las tres nubes están inicialmente en la misma posición. Aplicando un campo magnético, los átomos se separan en tres nubes dependiendo de su orientación. El número de átomos en cada pico se representa por el volumen que ocupa. El número de átomos en el pico derecho es exactamente igual al número de átomos en el izquierdo, lo que corresponde a un número igual de dados pares e impares.