Los científicos hemos ideado una nueva técnica de detección en tiempo real para mover libremente los átomos neutros con más de 99,7% de exactitud
y lo suficientemente sensible para discernir la entrada de un simple átomo
en menos de una millonésima de un segundo, unas 20 veces más rápido
que los mejores métodos anteriores.
El sistema, descrito en Advance Online Publication en el sitio web de Nature Physics,
por investigadores del Joint Quantum Institute (JQI) en College Park, y la Universidad
de Concepción en Chile, emplea un nuevo medio de alterar la polarización de la luz láser, atrapándola entre dos espejos altamente reflectantes, permitiendo que los científicos
"vean" los átomos que pasan a su través debido
a los fotones individuales que dispersan.
La capacidad para detectar átomos simples
y moléculas individuales es esencial para el progreso en muchas áreas, incluyendo la búsqueda de información cuántica, la detección química y el análisis bioquímico.
"Los protocolos existentes han sido demasiado lentos al detectar átomos
en movimiento, difícultando el poder hacer algo con ellos antes de que se hayan ido.
Nuestro trabajo relaja esa restricción de velocidad",
dice David Norris de JQI.
"Además, es difícil distinguir entre una verdadera detección
y un azar 'positivos falsos' sin recoger datos durante un largo período de tiempo.
Nuestro sistema hace ambas cosas:
filtra la señal y reduce el tiempo de detección".
Tomaron y enfriaron una pequeña población de átomos (en el experimento actual se usó el rubidio), en un recinto vacío, de modo que cayeran lentamente, uno por vez,
a través de un agujero de 1,5 milímetros de ancho en la parte inferior de la trampa.
[Ver Figura 1]
El átomo entonces cae unos 8 centímetros, hasta que entra en una pequeña cámara o cavidad, que está equipada en ambos lados con espejos altamente reflectivos enfrentados entre sí a una distancia de unos 2 milímetros.
Un haz láser de longitud de onda de 780 nanómetros —sólo ligeramente más largo
que la luz roja visible—, pasa por el centro de ambos espejos.
El haz excita el átomo, que cae entre los espejos, haciendo que irradie
de nuevo la luz en todas direcciones.
Este arreglo es familiar en los laboratorios que estudian la interacción de los átomos y fotones.
El sistema de JQI, tiene dos claras características únicas.
En primer lugar, los investigadores utilizan dos polarizaciones de la cavidad de luz simultáneamente: una (horizontal), que se bombea de forma eficiente para excitar los átomos, y la otra (vertical), que sólo aparece cuando está emitida por un átomo en el interior de la cavidad.
[Ver Figura 2] Bajar al átomo a través de la cámara le lleva sólo 5 millonésimas de un segundo, que son
unas 200 veces más tiempo que lo que necesita para convertirse en el átomo excitado y arrojar un fotón, por lo que este proceso puede ocurrir varias veces antes de el átomo se haya ido.
En segundo lugar, se crea un campo magnético en el interior de la cavidad,
lo que provoca la polarización de la luz láser rotando ligeramente
cuando un átomo está presente.
se observa con un solo átomo.
Sin embargo, dado que la luz reflejada entre los espejos pasa por el átomo alrededor
de 10.000 veces, el resultado es de una mayor rotación de unos pocos grados.
Esto aumenta significativamente la luz láser dentro de la polarización vertical, haciendo que los átomos sean más fáciles de "ver".
Eventualmente la luz se escapa
de fotones, con polarización horizontal
a un detector, y la polarización vertical
a otro.
Cada entrada de fotón genera un sello único cada vez que se dispara su detector [Ver Figura 3].
A pesar de que el detector de luz polarizada verticalmente sólo debe ser sensible a la luz procedente de un átomo en la cavidad, a veces puede ser engañado por la luz de la habitación.
Aunque haya múltiples emisiones de cada átomo, habrá una explosión
de un fotones siempre que un átomo pase entre los espejos.
Esta es la huella o firma que utilizan los investigadores para confirmar
la detección de un átomo.
"La dificultad principal radica en la verificación de que nuestro detector sea realmente lo suficientemente sensible como para ver átomos individuales, y no sólo los grandes grupos de ellos", comenta el jefe de equipo Luis A. Orozco, de JQI; "afortunadamente, las estadísticas de la luz sirven como la huella digital de la emisión de un solo átomo,
y hemos sido capaces de utilizar esa información en nuestro sistema."
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