Interferencia de átomos podría ayudar a detectar las ondas gravitacionales

Científicos de California han propuesto un nuevo tipo de detector de ondas gravitacionales que es inmune al ruido de láser; un problema de los diseños de detector de corriente que se suma a su alto costo

Los investigadores creen que su propuesta —una forma modificada de un interferómetro atómico— sería más barato y más fácil de implementar en el espacio que los interferómetros láser actuales.

Las ondas gravitacionales son pequeñas perturbaciones en la curvatura del espacio-tiempo que se derivan de la aceleración de masas, de acuerdo con la teoría general de la relatividad de Einstein. El primer indicio de la existencia de estas ondas fue descubierto en 1974 como una disminución gradual del período orbital del púlsar PSR B1913+16, que gira alrededor de una estrella de neutrones. Sin embargo, nadie ha detectado directamente una onda gravitacional. Tal descubrimiento podría proporcionar una confirmación de la relatividad general y también abrir un nuevo campo de la astronomía de ondas gravitacionales, en el que los objetos distantes pueden ser estudiados por las ondas que emiten.

Enorme y costoso

La manera convencional de tratar de detectar las ondas gravitacionales implica un interferómetro láser de larga línea de base. Una onda gravitatoria que pase por el instrumento debe causar que cambien ligeramente las longitudes de trayectoria de los dos haces, causando un cambio en las franjas de interferencia cuando los haces se recombinan. Ninguno de estos detectores ha tenido éxito en la detección de una onda gravitacional, de modo que para aumentar la sensibilidad, los astrónomos tienen que poner detectores en el espacio. La construcción de un interferómetro tradicional en forma de L en el espacio exterior requeriría de tres satélites, lo que plantea difíciles retos tecnológicos y financieros. El proyecto propuesto, la Antena Espacial de Interferómetro Láser (Laser Interferometer Space Antenna, LISA), previsto para su lanzamiento en 2015, ha sido revisado por su alto costo.

Un interferómetro de una sola línea de base, que mide el cambio en la longitud de un único camino al interferir las ondas emitidas y reflejadas en una cavidad de espejo, requeriría de sólo dos satélites. Pero en esta configuración sería difícil distinguir cambios en la longitud de la trayectoria de las fluctuaciones al azar en la frecuencia del láser, un fenómeno llamado ruido de fase.

Los interferómetros atómicos fueron propuestas a finales de 1980, y el primero fue construido en la década de 1990 por los físicos, incluyendo a Mark Kasevich y Steven Chu de la Universidad de Stanford. En lugar de medir la diferencia de fase entre dos haces de luz, un interferómetro de átomos mide el cambio en la fase de una onda de materia hecha de átomos en una superposición de estados cuánticos. Un interferómetro de átomos puede ser creado exitando y desexitando repetidamente la mitad de la función de onda usando un láser, mientras se mantiene la otra mitad en el estado fundamental. La longitud de onda de un átomo se acorta cuando el átomo está en su estado excitado, creando un desplazamiento de fase entre las dos mitades de la función de onda que depende de cuánto tiempo la primera mitad ha estado en el estado excitado.

En este último trabajo, Kasevich y sus colegas, dirigidos por el físico teórico Peter Graham en la Universidad de Stanford, proponen la colocación de dos interferómetros de átomos a una larga distancia entre sí y utilizar los mismos láseres pulsados —uno con origen en un interferómetro, y otro en el otro— para excitar y desexcitar los átomos en ambos interferómetros. El tiempo que cada átomo pasa en el estado excitado depende del tiempo de viaje de los pulsos de láser entre los dos interferómetros de átomos. «Cada nube de átomo es como un cronómetro», explica Kasevich. «Cuando el pulso de láser proviene de una sola dirección, inicia el conteo. Cuando llega de la otra dirección, lo detiene.»

Poner átomos a trabajar

Si la longitud de la línea de base entre los interferómetros es constante, los átomos en ambos interferómetros acumularán el mismo desplazamiento de fase. Pero si un interferómetro acelera respecto al otra, el tiempo entre la excitación y desexcitación de la mitad de la función de onda será diferente en los dos lugares, y los átomos acumulará un desplazamiento relativo de fase diferente. El mismo láser pulsa la excitación y desexcitación de los átomos en ambos interferómetros, por lo que el ruido de fase del láser afecta a ambos átomos de la misma manera, y no afecta la diferencia entre los cambios de fase detectados en los dos interferómetros. «La luz sólo actúa como compuerta al apagar y encender el reloj», dice Kasevich. «El átomo está haciendo todo el trabajo difícil.»

El experto de la onda gravitacional B.S. Sathyaprakash de la Universidad de Cardiff es cautelosamente optimista. «El plan es, obviamente, muy emocionante», dice. «Pero creo que la gran pregunta es qué tipo de tecnología se requiere en el espacio para hacer funcionar esta cosa en tres a cinco años? No estoy diciendo nada negativo o positivo, pero me gustaría ver los números.» En un intento de proporcionar éstos, el equipo de Stanford está planeando construir un prototipo en el laboratorio para determinar si hay o no desafíos técnicos imprevistos en la propuesta.

La investigación se publica en la revista Physical Review Letters.

Fuente: Physics World. Aportado por Eduardo J. Carletti

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