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| Se enfrían parejas desiguales: un solo ion de berilio (rojo, izquierda) y un solo ion de argón altamente cargado (púrpura, derecha) son bombardeados por láseres desde varios lados y casi se paralizan por completo. |
El uso más conocido de los rayos láser es el de calentar cosas. Pero el enfriamiento con ayuda de rayos láser también es conocido por los físicos que estudian la espectroscopia de precisión y el desarrollo de relojes atómicos ópticos.
Ahora, los investigadores del Instituto QUEST del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) han alcanzado temperaturas extremadamente bajas (200 µK) con iones altamente cargados.
El equipo que trabaja en esto lo logró combinando sus métodos establecidos, incluyendo el enfriamiento por láser de iones acoplados y métodos del campo de la computación cuántica.
La aplicación de algoritmos cuánticos garantizó que diferentes iones para la refrigeración láser tradicional pudieran funcionar si se enfriaban juntos.
Esto significa que nos estamos acercando a un reloj atómico óptico con iones altamente cargados, que podría tener el potencial de ser más preciso que los relojes atómicos ópticos existentes. Los investigadores publican los resultados en el número actual de "Physical Review X".
La mayoría de los iones y otras partículas cargadas de interés espectroscópico carecen de las transiciones rápidas y cíclicas necesarias para el enfriamiento directo por láser.
Para investigar partículas -como los iones- con extrema precisión (por ejemplo, utilizando espectroscopia de precisión o midiendo su frecuencia en un reloj atómico), es necesario acercarlas a una parada.
La parada más extrema es la temperatura más baja posible, es decir, enfriarlas de forma eficiente. Uno de los métodos de enfriamiento de alta tecnología establecidos es el llamado enfriamiento por láser.
Los láseres ralentizan las partículas hábilmente dispuestas. No todas las partículas son adecuadas para este método. Por eso, en el Instituto QUEST se utilizan desde hace tiempo pares de iones acoplados para superarlo: Uno de los iones (llamado "ion de enfriamiento" o "ion lógico") se enfría mediante láseres; simultáneamente, su ion compañero acoplado también se enfría y puede entonces ser investigado espectroscópicamente (de ahí que se le llame "ion de espectroscopia").
Las limitaciones de este método se alcanzan cuando los dos iones han diferido demasiado en su relación carga-masa, es decir, cuando han sido muy diferentes en masa y con cargas muy distintas.
"Pero son precisamente estos iones los que resultan especialmente interesantes para nuestra investigación, por ejemplo, para desarrollar nuevos relojes ópticos", explica el físico de QUEST Steven King.
Él y su equipo tienen mucha experiencia en la aplicación de las leyes de la mecánica cuántica (el enfriamiento acoplado se basa en las leyes cuánticas); han hecho uso del conjunto de herramientas del investigador de la computación cuántica.
Los algoritmos cuánticos -es decir, las operaciones informáticas basadas en la manipulación de cuantos individuales- no solo pueden utilizarse para realizar cálculos más rápidos que nunca con un ordenador cuántico. También pueden ayudar a extraer la energía cinética del par de iones desajustado. Durante el proceso del llamado enfriamiento algorítmico, las operaciones cuánticas se utilizan para hacer precisamente eso: transferir la energía del movimiento apenas enfriable del ion espectroscópico al movimiento fácilmente enfriable del ion lógico.
Y lo consiguieron con creces: "Pudimos extraer tanta energía de la pareja de iones -compuesta por un ion de berilio con carga simple y un ion de argón con carga alta- que su temperatura finalmente descendió a solo 200 µK", dijo uno de los estudiantes de doctorado de QUEST, Lukas Spieß. Este conjunto nunca ha estado tan cerca del cero absoluto (es decir, tan inmóvil).
"Además, también hemos observado un nivel de ruido de campo eléctrico sin precedentes", añadió.
El ruido normalmente hace que los iones se calienten cuando se detiene el enfriamiento, pero este resulta ser particularmente bajo en su aparato. La combinación de estas dos cosas significa que se ha superado el último gran obstáculo en su camino, y se puede construir un reloj atómico óptico basado en iones altamente cargados.
Este reloj atómico podría alcanzar una incertidumbre inferior a 10-18. Solo los mejores relojes atómicos ópticos del mundo pueden conseguir este tipo de rendimiento. Estos descubrimientos son también de gran importancia para el desarrollo de los ordenadores cuánticos y la espectroscopia de precisión.
"Dado que nuestra técnica es universal, las aplicaciones se extienden a multitud de campos, como el desarrollo de relojes ultraprecisos basados en átomos y moléculas altamente cargados atrapados, la localización y el control del movimiento de partículas macroscópicas como los nanodiamantes, las mediciones de precisión de las propiedades de los antiprotones y la mejora de la fidelidad de la computación cuántica." Cita de la investigación.
Fuentes, créditos y referencias:
Steven A. King, Lukas J. Spieß, Peter Micke, Alexander Wilzewski, Tobias Leopold, José R. Crespo López-Urrutia, Piet O. Schmidt: Opens external link in new windowAlgorithmic Ground-state Cooling of Weakly-Coupled Oscillators using Quantum Logic. Physical Review X 11, 041049 (2021) DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041049