Sistema láser diseñado en el Centro de Vuelo Espacial Goddard que es crítico para el avance de instrumentos de óptica atómica (crédito: Pat Izzo/NASA)
Una tecnología pionera con precisión a nivel atómico se está desarrollando para detectar lo que hasta hoy ha permanecido imperceptible: ondas gravitacionales o rupturas en el espacio tiempo causadas por cataclismos cósmicos, lo que incluye la Gran Explosión o Big Bang.
Un equipo de investigadores del Centro de Vuelo Espacial Goddard, de la NASA, de la Universidad de Stanford y AOSense Inc., recientemente obtuvieron los recursos de la propia NASA bajo su programa Conceptos Innovadores Avanzados (NIAC) para el desarrollo de tecnologías de óptica atómica.
Algunos consideran que está tecnología emergente altamente precisa es una panacea tecnológica para muchos de los puntos pendientes en la ciencia: desde la medición de ondas gravitacionales hasta la conducción de submarinos y aeroplanos, así como una gran variedad de aplicaciones espaciales, incluyendo la navegación de asteroides cercanos a la Tierra para medir su campo gravitatorio y deducir a partir de ello su composición.
Las ondas gravitacionales, no detectadas aún y predichas por Albert Einstein y su teoría de la Relatividad, ocurren cuando objetos masivos celestes se mueven y ocasionan trastornos en el espacio tiempo alrededor de ellos. Cuando estas ondas llegan a nuestro planeta, son tan débiles que el planeta se expande y contrae menos que el grosor de un átomo como respuesta a su influencia. Esto hace que la detección basada en equipo terrestre sea muy complicada debido al ruido ambiental, como las mareas marinas y temblores, y fácilmente puede perderse su murmullo.
La confirmación de su existencia revolucionaría la astrofísica y proporcionaría una nueva herramienta para el estudio de agujeros negros y el universo más temprano.
El equipo considera que la óptica atómica o interferometría atómica tiene la llave para la detección apropiada de estas ondas. La interferometría atómica funciona de manera similar a la interferometría óptica, comparando luz que ha sido dividida en dos ondas iguales con un dispositivo llamado beamsplitter (separador de rayos de luz). Un rayo se refleja en un espejo colocado en un lugar apropiado. A partir de allí, un rayo viaja a una cámara o detector. El otro rayo ilumina algún punto que los científicos desean medir, y se refleja en un segundo espejo de regreso al beamsplitter, y luego a la cámara o detector.
Debido al hecho de que el trayecto que un rayo viaja es fijo en longitud y el otro viaja una distancia adicional, o recorre un camino ligeramente distinto, los dos rayos de luz se sobreponen e interfieren entre ellos al encontrarse, creando así un patrón de interferencia que los científicos estudian para obtener mediciones altamente precisas.
Sin embargo, la interferometría atómica se apoya en la mecánica cuántica, la teoría que describe el comportamiento de la materia a escalas subatómicas. Al igual que las ondas de luz pueden actuar como partículas llamadas fotones, los átomos pueden mostrar un comportamiento de onda si se enfrían cerca del cero absoluto. En estas muy bajas temperaturas, las cuales se logran disparando un láser al átomo, su velocidad se acerca a cero. Por medio de disparar una serie de pulsos láser a átomos previamente enfriados con láser, los científicos los colocan en un estado que se conoce con el nombre de “superposición de estados”.
En otras palabras, los átomos tienen diferentes momentos, permitiendo que se separen espacialmente y puedan ser manipulados para que recorran diferentes trayectorias. Eventualmente, se cruzan y re-combinan en el detector -como sucede en el interferómetro convencional. “Los átomos tienen una manera de estar en dos lugares al mismo tiempo, haciéndolo similar a la interferometría de luz”, dijo Mark Kasevich.
El poder de la interferometría atómica reside en su precisión. Si la ruta recorrida por un átomo varía un picómetro (mil trillónesima de un metro), el interferómetro atómico lo detectará. Dada su alta precisión atómica, “la detección de ondas gravitacionales es sin duda la aplicación más interesante que puede tener este tipo de tecnología”, indicó el físico Babak Saif.
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