Tecnologías cuánticas
Físicos alemanes traspasan una nueva frontera cuántica
Han construido un nuevo tipo de reloj atómico óptico basado en iones altamente cargados que es menos sensible a las perturbaciones externas
PTB/T21
Físicos alemanes han construido y probado con éxito un nuevo tipo de reloj atómico óptico, basado en iones altamente cargados, que es menos sensible a las perturbaciones externas y tan preciso como los relojes atómicos ópticos convencionales. También puede aventurarse en el interior de la Nueva Física.
Los relojes atómicos ópticos son los instrumentos de medición más precisos jamás construidos y se están convirtiendo en herramientas clave para la investigación básica y aplicada, por ejemplo, para probar la constancia de constantes naturales o para mediciones de altura en geodesia.
Ahora, los investigadores del Instituto QUEST en el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), en colaboración con el Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) y la TU Braunschweig y en el ámbito del Clúster de Excelencia QuantumFrontiers, han concebido por primera vez un reloj atómico óptico basado en iones altamente cargados.
Este tipo de ion es tremendamente útil para este reloj atómico porque tiene propiedades atómicas extraordinarias y una baja sensibilidad a los campos electromagnéticos externos. Los investigadores informan sobre sus resultados en la revista Nature.
MATERIA CÓSMICA
Los iones altamente cargados son una forma común de materia en el cosmos: se encuentran, por ejemplo, en el Sol u otras estrellas. Se llaman así porque han perdido muchos electrones y por lo tanto tienen una carga positiva alta.
Esta es la razón por la que los electrones más externos están más fuertemente ligados al núcleo atómico que en los átomos neutros o débilmente cargados.
Por esta razón, los iones altamente cargados reaccionan con menos fuerza a la interferencia de los campos electromagnéticos externos, pero se vuelven más sensibles a los efectos fundamentales de la relatividad especial, la electrodinámica cuántica y el núcleo atómico.
ETAPAS PREVIAS
Antes de alcanzar este resultado, el equipo de investigadores alemanes tuvo que resolver algunos problemas fundamentales, como la detección y el enfriamiento, lo que les llevó años de trabajo.
Para los relojes atómicos, hay que enfriar las partículas para detenerlas lo más posible y así leer su frecuencia y medir el paso del tiempo. Los iones altamente cargados, sin embargo, se producen al crear un plasma extremadamente caliente.
Debido a su estructura atómica extrema, los iones altamente cargados no se pueden enfriar directamente con luz láser y tampoco se pueden usar para ello métodos de detección estándar.
Esto se resolvió en la nueva investigación aislando a un solo ion de argón altamente cargado dentro de un plasma caliente y almacenándolo en una trampa de iones, junto con un ion de berilio con una sola carga. Esto permite que el ion altamente cargado se enfríe indirectamente y se estudie por medio del ion de berilio.
CERCA DEL CERO ABSOLUTO
Luego se construyó un sistema avanzado de trampas criogénicas y, por último, un algoritmo cuántico logró enfriar aún más el ion altamente cargado, es decir, cerca del estado fundamental de la mecánica cuántica: a una temperatura de 200 millonésimas de kelvin por encima del cero absoluto.
Como resultado, los investigadores obtuvieron un reloj atómico óptico basado en iones de argón cargados trece veces y compararon su tic-tac con el reloj de iones de iterbio. Lograron una incertidumbre de medición comparable a muchos relojes atómicos ópticos que funcionan actualmente.
“Esperamos una mayor reducción de la incertidumbre a través de mejoras técnicas, lo que debería llevarnos al rango de los mejores relojes atómicos”, dice el líder del grupo de investigación, Piet Schmidt.
SISTEMA ADICIONAL
Los investigadores concluyen que han creado un nuevo sistema de relojes atómicos ópticos que se pueden basar, por ejemplo, en iones de iterbio individuales o en átomos de estroncio neutros.
Los métodos utilizados en este trabajo son universalmente aplicables y permiten estudiar muchos iones altamente cargados diferentes. Estos incluyen sistemas atómicos que pueden usarse para buscar extensiones del Modelo Estándar de la física de partículas.
Otros iones altamente cargados son particularmente sensibles a los cambios en la constante de estructura fina (que caracteriza la fuerza de la interacción electromagnética) y a ciertos candidatos de materia oscura que se sugieren en modelos situados más allá del Modelo Estándar, pero que no se han podido detectar con métodos tradicionales.
Por este motivo, los investigadores señalan que su trabajo establece transiciones ópticas prohibidas en iones altamente cargados, como referencias para relojes ópticos de vanguardia y futuras búsquedas de alta sensibilidad para la física situada más allá del Modelo Estándar, el santo grial de la física de partículas.
____________
REFERENCIA
An optical atomic clock based on a highly charged ion. Steven A. King et al. Nature; volume 611, pages43–47 (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-022-05245-4
_______
Fuente:
