Esta demostración podría abrir las puertas a instrumentos más sensibles, que serán vitales para sondear algunos de los mayores misterios del universo.
Por Darren Orf
19/01/2025
Eugene Mymrin//Getty Images
El 14 de septiembre de 2015, el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO) detectó por primera vez una onda en el espaciotiempo. Este gran avance, que Albert Einstein llegó a considerar casi imposible, fue posible gracias a la capacidad del observatorio para medir cambios diminutos en la distancia que recorre un rayo láser, lo que delata una deformación del espaciotiempo.
Sin embargo, si los científicos pudieran desarrollar interferómetros atómicos -que captaran la naturaleza ondulatoria de los átomos-, los detectores de ondas gravitacionales podrían ser mucho más sensibles y descubrir distintos tipos de ondas gravitacionales, incluidas las que podrían producir los motores warp de alguna civilización alienígena avanzada.
Desarrollar una herramienta de este tipo es un gran “si”, pero los científicos del Instituto de Tecnologías Cuánticas del Centro Aeroespacial Alemán y de la Universidad de Viena creen que podrían dar con algo. En un nuevo artículo publicado en el servidor de preimpresión arXiv, Christian Brand, del Centro Aeroespacial Alemán, y sus colegas desarrollan un experimento para “doblar” átomos. Para ello, el equipo difractó átomos de hidrógeno y helio de alta energía a través de una lámina de grafeno de un átomo de grosor y observó patrones anulares característicos, un signo revelador de la difracción.
Esto fue especialmente sorprendente porque este tipo de difracción sólo se había observado en partículas subatómicas, no en átomos enteros. Pero incluso en los electrones resultaba increíblemente útil. Como señala New Scientist, en 1927, el físico George Paget Thomson demostró cómo los electrones difractados producían patrones específicos al pasar a través de huecos en una estructura cristalina, que los científicos llaman “rejillas”. De hecho, esto fue tan útil que condujo al desarrollo de los microscopios electrónicos (y también le valió a Thomas un Premio Nobel).
Se descubrieron patrones de difracción para átomos, pero utilizaban rejillas mucho mayores que las que podían encontrarse en los cristales, ya que se creía que la alta energía de estos átomos dañaría las rejillas de los cristales antes de que pudiera producirse la difracción. Sin embargo, utilizando una capa de átomos de carbono de un átomo de grosor conocida como grafeno, los expertos descubrieron que incluso después de 100 horas bajo la irradiación de un haz de átomos, la rejilla no mostraba ningún daño y la difracción seguía teniendo lugar.
“Debido a sus extraordinarias propiedades electrónicas y mecánicas, el grafeno de una sola capa es el candidato perfecto para actuar como rejilla para átomos en transmisión”, escriben los autores en el estudio. “Además, puede prepararse rutinariamente como material independiente sobre estructuras de soporte adecuadas”.
Según las leyes de la mecánica cuántica, esta difracción sólo es posible porque el intercambio de energía entre el grafeno y los átomos de hidrógeno/helio es indetectable. En declaraciones a New Scientist, Bill Allison, de la Universidad de Cambridge, lo describe como abrir y cerrar puertas. “Si abro la puerta y luego la cierro hábilmente sin perder ni ganar energía, nadie, ni siquiera yo, sabe qué puerta he utilizado y, por tanto, habrá difracción”.
Como señalan los autores, la sensibilidad de los interferómetros “escala con el momento impartido por la rejilla a la onda de materia”, pero el tamaño de los periodos de rejilla está actualmente limitado por el proceso de fabricación a sólo 100 nanómetros. Esta demostración de la difracción atómica a través de una red cristalina podría abrir las puertas a instrumentos más sensibles, que serán vitales para sondear algunos de los mayores misterios del universo.
“La combinación de rejillas de transmisión cristalinas en interferómetros podría dar lugar a nuevos sensores basados en la cuántica”, escriben los autores. “Los átomos rápidos tienen ventajas para detectar ondas gravitacionales en comparación con los experimentos con átomos fríos y podrían dar lugar a nuevos interferómetros multidimensionales”.
Darren Orf
Editor colaborador
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Darren vive en Portland, tiene un gato y escribe y edita sobre ciencia ficción y cómo funciona nuestro mundo. Puedes encontrar su material anterior en Gizmodo and Paste si lo buscas lo suficiente.
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