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FÍSICA

Aceleraciones cuánticas

Nubes de átomos fríos pueden utilizarse para medir leves variaciones de la fuerza de gravedad

Bose_frutaLÉO RAMOSEl físico Philippe Courteille y sus colaboradores en el Instituto de Física de São Carlos (IFSC) de la Universidad de São Paulo (USP) están construyendo un instrumento destinado a medir con alta precisión el efecto de la fuerza de gravedad de la Tierra sobre el denominado condensado de Bose-Einstein, que son nubes microscópicas compuestas por alrededor de 100 mil átomos de estroncio que se conservan a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15 oC). Este dispositivo –un gravímetro atómico– permitiría la obtención en tiempo real de la intensidad de la fuerza gravitatoria a escala microscópica, algo que aún no se ha medido en forma adecuada. Existen otros instrumentos similares en el mundo, con una sensibilidad igualmente suficiente para medir fuerzas gravitatorias en esa escala. Pero éstos tan sólo detectan el desplazamiento de los átomos una vez que ocurrió y no logran estudiarlo en vivo, tal como prometen los investigadores de São Carlos. Según los científicos, el nuevo gravímetro tendrá aplicaciones prácticas y en física básica.

Otros experimentos con gravímetros atómicos –algunos ya realizados y otros en curso– midieron la fuerza gravitatoria a escalas microscópicas. De todas maneras, todavía no se alcanzó el mismo grado de precisión obtenido para las demás fuerzas fundamentales de la física. “Existen teorías que prevén que la ley de la gravedad de Newton puede que no sea válida para distancias menores a algunos micrones”, comenta Courteille. La ley de la gravedad establece que la fuerza de atracción entre dos cuerpos es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos y explica muy bien lo que se observa en el mundo macroscópico. “Tal vez sea necesario realizar modificaciones en esa ley de atracción para explicar lo que ocurre a nivel microscópico”, dice el físico.

Las aplicaciones prácticas del nuevo gravímetro dependerán de su sensibilidad. Si la misma fuera lo suficientemente elevada, el dispositivo podría emplearse para mapear reservas de petróleo y de minerales. Courteille aún no está en condiciones de establecer el grado exacto de sensibilidad que podría alcanzar su instrumento, pero estima que sería capaz de superar a los mejores gravímetros comerciales de alta precisión, que utilizan haces de luz láser para medir la aceleración de la gravedad que actúa sobre un pequeño espejo en caída libre en el vacío. Los geofísicos utilizan ese tipo de dispositivo para mapear reservas con valor económico en el subsuelo. Las variaciones mínimas en la aceleración de la gravedad terrestre permiten detectar diferencias en las densidades de las rocas subterráneas que indican la presencia de minerales.

060-061_Bose-Einstein_233Courteille ya tiene lista la pieza fundamental del gravímetro: la cavidad óptica anular. Se trata de un trío de pequeños espejos especiales que se acomodan en los vértices de un triángulo, separados por alrededor de dos centímetros uno del otro. Son esos espejos, cuidadosamente elaborados y dispuestos, los que garantizarían el éxito del futuro instrumento, según refieren artículos que se publicaron en las revistas Optic Express y Laser Physics Letters. Simulaciones por computadora que efectuaron Courteille y Romain Bachelard, del IFSC, en colaboración con Marina Samoylova y Nicola Piovella, de la Universidad de Milán, en Italia, y Gordon Robb, de la Universidad de Strathclyde, en el Reino Unido, indican que la cavidad óptica perfeccionará el funcionamiento del gravímetro por dos razones. La primera consiste en que la cavidad evitará que el láser que interactúa con el condensado para medir su desplazamiento destruya a éste último. La segunda se basa en que estabilizará las oscilaciones del condensado, tornándolas más regulares y previsibles. Los investigadores enviaron este año una solicitud de patente del dispositivo al Instituto Nacional de la Propiedad Intelectual (INPI).

En caída libre
Desde el final de los años 1990, los físicos realizan experimentos utilizando átomos fríos como gravímetros. Cuando se los enfría hasta temperaturas cercanas al cero absoluto, algunos tipos de átomos pueden aglutinarse y formar el denominado condensado de Bose-Einstein. En él, los átomos cesan su actuación como partículas individuales y comienzan a desplazarse todos juntos, formando una nube de átomos idénticos, donde los físicos dicen que se comportan como una única onda de materia. Varios gravímetros atómicos que se han construido hasta ahora miden cómo se alteran las propiedades de esa nube de átomos a medida que la misma se desplaza exclusivamente bajo el efecto de la gravedad. Para analizar solamente la acción de la fuerza de gravedad, los físicos generan esa nube de átomos en el interior de una cámara de vacío y la dejan desplazarse verticalmente en dirección al suelo. En ese movimiento, similar al de un elevador en caída libre, cayendo sin que nada lo frene, la única fuerza actuante es la de la gravedad.

En tanto, el gravímetro de Courteille funciona de un modo diferente, similar al que desarrolló en 2005 el equipo del físico Massimo Inguscio, de la Universidad de Florencia, en Italia. En el experimento que llevó a cabo el italiano, el condensado de Bose-Einstein cae libremente hasta cierto punto. Cuando la aceleración gravitatoria provoca que el condensado alcance determinada velocidad, el dispositivo interfiere con una onda lumínica creada por la sumatoria de dos haces de luz láser. En ese instante, el condensado recibe un impulso de la onda lumínica y pasa a desplazarse hacia arriba, en un proceso que se perpetúa en forma indefinida. “Es como si la onda de materia saltara sobre un trampolín”, explica Courteille. “La frecuencia de los saltos depende de la aceleración gravitatoria de la Tierra”.

Al utilizar los tres espejos para crear una cavidad óptica, un espacio en el que los haces de luz láser quedan prisioneros, circulando casi indefinidamente, Courteille logró eliminar algunos problemas que presentaba el experimento italiano. El gravímetro de Inguscio empleaba un tercer láser para medir el desplazamiento del condensado que finalmente terminaba destruyéndolo. En el esquema de Courteille, el ambiente se encuentra controlado y la luz del tercer láser, si bien interactúa con el condensado, no lo desordena. Bajo la supervisión de Courteille, el físico Raul Teixeira, quien realiza una pasantía de posdoctorado en el IFSC, está construyendo la cámara de vacío del gravímetro y preparando el montaje de los láseres y de la cavidad óptica. “Se trata de un gran desafío técnico”, dice Courteille. “Nos demandará al menos unos dos años hasta que podamos obtener resultados científicos”.

 

Proyectos
1.
Desarrollo de sensores cuánticos con átomos ultrafríos (nº 2013/04162-5); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Philippe Wilhelm Courteille (IFSC-USP); Inversión R$ 1.988.250,00 (FAPESP – para la totalidad del proyecto).
2. Monitoreo continuo de las oscilaciones de Bloch en átomos ultrafríos para su aplicación en gravimetría (nº 2014/12952-9); Modalidad Beca en Brasil – Posdoctorado; Beneficiario Raul Celestrino Teixeira; Investigador responsable Philippe Wilhelm Courteille (IFSC-USP); Inversión R$ 177.860,00 (FAPESP).

 

Artículos científicos
SAMOYLOVA, M. et al. Synchronization of Bloch oscillations by a ring cavity. Optics Express. v. 23, n. 11. 28 may. 2015.
SAMOYLOVA, M. et al. Mode-locked Bloch oscillations in a ring cavity. Laser Physics Letters. v. 11, n. 12. 12 nov. 2014.

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