Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y la Universidad de California (UC) en Berkeley, han detectado la fuerza más pequeña jamás medida, aproximadamente 42 yoctonewtons, con ayuda de una combinación de rayos láser y un sistema exclusivo de captura óptica que provee de una nube de átomos ultra-fríos.
Un yoctonewton es la cuatrillonesima parte de un newton.
"Hemos aplicado una fuerza externa al movimiento del centro de masa de una nube de átomos ultrafríos en una cavidad óptica de alta fineza, y medimos ópticamente el movimiento resultante", explica Dan Stamper-Kurn, un físico que está en Berkeley Lab's Materials Sciences Division y en UC Berkeley Physics Department. "Cuando la fuerza motriz era resonante con la frecuencia de oscilación de la nube, conseguimos una sensibilidad consistente con las predicciones teóricas, a sólo un factor de cuatro por encima del Límite Cuántico Estándar, la medida más sensible que se ha podido hacer."
Stamper-Kurn es autor del correspondiente artículo en Science que describe estos resultados. El documento se titula "Optically measuring force near the standard quantum limit". Los coautores son Sydney Schreppler, Nicolas Spethmann, Nathan Brahms, Thierry Botter y Maryrose Barrios. Si se quiere confirmar la existencia de ondas gravitacionales, las ondulaciones del espacio-tiempo predichas por Albert Einstein en su teoría de la relatividad general, o se quiere determinar la extensión de la ley de la gravedad en la escala macroscópica, según lo descrito por Sir Isaac Newton, desde su aplicación a escala microscópica, es necesario detectar y medir fuerzas y movimientos que son casi incomprensiblemente pequeñas. Por ejemplo, en el Interferómetro láser del Observatorio de Ondas Gravitacionales (LIGO), los científicos están tratando de registrar movimientos tan pequeños como una milésima del diámetro de un protón. En el corazón de todos los detectores de fuerza ultrasensibles hay unos osciladores mecánicos, son sistemas que traducen la fuerza aplicada a un movimiento mecánico medible. Conforme las mediciones de fuerza y del movimiento alcanzan una sensibilidad de nivel cuántico, se dan de bruces contra una barrera impuesta por el principio de incertidumbre de Heisenberg, en el que la propia medición perturba el movimiento del oscilador, un fenómeno conocido como "retroacción cuántica". Esta barrera se llama el límite cuántico estándar (SQL). Durante el último par de décadas, se han implementado una amplia gama de estrategias para minimizar la retroacción cuántica para acercarnos cada vez más al SQL; sin embargo, la mejor de estas técnicas se ha quedado corta entre seis a ocho órdenes de magnitud.
"Medimos la fuerza con una sensibilidad cercana al SQL que nunca antes se ha conseguido", afirma Sydney Schreppler, miembro del grupo de investigación Stamper-Kurn y autora principal del artículo de Science. "Hemos sido capaces de lograr esta sensibilidad porque nuestro oscilador mecánico se compone de tan sólo 1.200 átomos."
En el montaje experimental utilizado por Schreppler, Stamper-Kurn y sus colegas, el elemento oscilador mecánico es un gas de átomos de rubidio ópticamente atrapado y enfriado hasta casi el cero absoluto. La trampa óptica consta de dos campos de luz de onda estacionaria con longitudes de onda de 860 y 840 nanómetros, las cuales producen fuerzas axiales iguales y opuestas sobre los átomos. El movimiento del centro de masa es inducido en el gas mediante la modulación de la amplitud del campo de luz de 840 nanómetros. La respuesta se mide utilizando un haz que sondea a una longitud de onda de 780 nanómetros.
"Cuando se aplica una fuerza externa a nuestro oscilador es como golpear un péndulo con un bate y luego medir la reacción", dice Schreppler. "Una de las claves para nuestra sensibilidad y acercarmiento al SQL es nuestra capacidad para disociar los átomos de rubidio de su entorno y mantener fría su temperatura. La luz láser la usamos para atrapar los átomos aíslándolos del ruido ambiental externo, pero sin calentarlos, de esta manera puede permanecer frío lo suficiente como para permitir acercarnos a los límites de la sensibilidad cuando aplicamos una fuerza."
Schreppler dice que debería ser posible acercarse aún más al SQL y la fuerza de la sensibilidad a través de una combinación de átomos fríos y una mejorada eficiencia en la detección óptica. También dice ella que hay técnicas de evasión de la retroacción que pueden adoptarse mediante la realización de mediciones que no son estándar. Por ahora, el enfoque experimental demostrado en este estudio proporciona un medio por el cual los científicos intentan detectar las ondas gravitacionales y poder comparar los límites de su capacidad de detección para una amplitud predicha, además de la frecuencia dichas ondas. Para aquellos que buscan determinar si la gravedad newtoniana se aplica al mundo cuántico, ahora tienen una manera de poner a prueba sus teorías. La mayor fuerza de sensibilidad de este experimento también podría señalar el camino hacia una mejora de la microscopía de fuerza atómica.
"Un estudio científico en 1980 predijo que la SQL podría llegar en menos de cinco años", comenta Schreppler. "Nos llevó unos 30 años más de lo previsto, pero ahora tenemos una puesta a punto experimental capaz de llegar muy cerca del SQL y de mostrar los diferentes tipos de oscurecimiento del ruido lejos de esa SQL".
Esta investigación fue financiada por la Air Force Office of Scientific Research y la National Science Foundation.
En el montaje experimental utilizado por Schreppler, Stamper-Kurn y sus colegas, el elemento oscilador mecánico es un gas de átomos de rubidio ópticamente atrapado y enfriado hasta casi el cero absoluto. La trampa óptica consta de dos campos de luz de onda estacionaria con longitudes de onda de 860 y 840 nanómetros, las cuales producen fuerzas axiales iguales y opuestas sobre los átomos. El movimiento del centro de masa es inducido en el gas mediante la modulación de la amplitud del campo de luz de 840 nanómetros. La respuesta se mide utilizando un haz que sondea a una longitud de onda de 780 nanómetros.
"Cuando se aplica una fuerza externa a nuestro oscilador es como golpear un péndulo con un bate y luego medir la reacción", dice Schreppler. "Una de las claves para nuestra sensibilidad y acercarmiento al SQL es nuestra capacidad para disociar los átomos de rubidio de su entorno y mantener fría su temperatura. La luz láser la usamos para atrapar los átomos aíslándolos del ruido ambiental externo, pero sin calentarlos, de esta manera puede permanecer frío lo suficiente como para permitir acercarnos a los límites de la sensibilidad cuando aplicamos una fuerza."
Schreppler dice que debería ser posible acercarse aún más al SQL y la fuerza de la sensibilidad a través de una combinación de átomos fríos y una mejorada eficiencia en la detección óptica. También dice ella que hay técnicas de evasión de la retroacción que pueden adoptarse mediante la realización de mediciones que no son estándar. Por ahora, el enfoque experimental demostrado en este estudio proporciona un medio por el cual los científicos intentan detectar las ondas gravitacionales y poder comparar los límites de su capacidad de detección para una amplitud predicha, además de la frecuencia dichas ondas. Para aquellos que buscan determinar si la gravedad newtoniana se aplica al mundo cuántico, ahora tienen una manera de poner a prueba sus teorías. La mayor fuerza de sensibilidad de este experimento también podría señalar el camino hacia una mejora de la microscopía de fuerza atómica.
"Un estudio científico en 1980 predijo que la SQL podría llegar en menos de cinco años", comenta Schreppler. "Nos llevó unos 30 años más de lo previsto, pero ahora tenemos una puesta a punto experimental capaz de llegar muy cerca del SQL y de mostrar los diferentes tipos de oscurecimiento del ruido lejos de esa SQL".
Esta investigación fue financiada por la Air Force Office of Scientific Research y la National Science Foundation.
- Imagen.1. Los osciladores mecánicos traducen una fuerza aplicada en movimiento mecánico medible. Crédito: Imagen de Kevin Gutowski.
- Imagen.2. Un esquema que describe el proceso de medición física en mecánica cuántica. Wikipedia.
- Imagen.3. Dos cuerpos orbitando alrededor de su centro de masas en órbitas elípticas. Wikipedia.
- Fuente: DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory .
- Publicación: S. Schreppler, N. Spethmann, N. Brahms, T. Botter, M. Barrios, D. M. Stamper-Kurn. Optically measuring force near the standard quantum limit. Science, 2014; 344 (6191): 1486 DOI: 10.1126/science.1249850 .
- Imagen.2. Un esquema que describe el proceso de medición física en mecánica cuántica. Wikipedia.
- Imagen.3. Dos cuerpos orbitando alrededor de su centro de masas en órbitas elípticas. Wikipedia.
- Fuente: DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory .
- Publicación: S. Schreppler, N. Spethmann, N. Brahms, T. Botter, M. Barrios, D. M. Stamper-Kurn. Optically measuring force near the standard quantum limit. Science, 2014; 344 (6191): 1486 DOI: 10.1126/science.1249850 .
Referencia: ScienceDaily.com , bitnavegante
