Los investigadores han descubierto una forma simple pero poderosa de proteger a los átomos de la pérdida de información, un desafío clave en el desarrollo de tecnologías cuánticas confiables. Este avance demuestra que un solo haz de luz puede extender el tiempo de coherencia de los espines atómicos, abriendo la puerta a sensores cuánticos, magnetómetros y dispositivos de memoria más compactos, precisos y robustos.
Un equipo de físicos del Departamento de Física Aplicada y el Centro de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad Hebrea, en colaboración con la Escuela de Física Aplicada e Ingeniería de la Universidad de Cornell, ha presentado un nuevo y poderoso método para proteger los espines atómicos del “ruido” ambiental, un paso importante hacia la mejora de la precisión y durabilidad de tecnologías como los sensores cuánticos y los sistemas de navegación.
El estudio realizado por Avraham Berrebi, Mark Dikopoltsev, el profesor Ori Katz (Universidad Hebrea) y el profesor Or Katz (Universidad de Cornell), potencialmente puede revolucionar los campos que dependen de la detección magnética y la coherencia atómica.
¿Por qué es importante?
Los átomos con electrones desapareados, como los del vapor de cesio, tienen una propiedad de “espín”, interactúan fuertemente con los campos magnéticos y, por lo tanto, se utilizan para mediciones ultrasensibles de campos magnéticos, gravedad e incluso actividad cerebral. Pero estos giros son notoriamente frágiles. Incluso la más mínima perturbación de los átomos circundantes o las paredes de los contenedores puede hacer que pierdan su orientación, un proceso conocido como relajación del espín. Hasta ahora, proteger estos espines de tales interferencias ha requerido configuraciones complicadas o ha funcionado solo en condiciones muy específicas.
El nuevo método cambia eso.
La luz láser como escudo
Los investigadores desarrollaron una técnica que utiliza un solo rayo láser ajustado con precisión para sincronizar la precesión de los espines atómicos en el campo magnético, incluso cuando los átomos chocan constantemente entre sí y con su entorno.
Imagina un escenario en el que cientos de peonzas diminutas están confinadas dentro de una caja. Por lo general, las interacciones entre estos tops pueden interrumpir sus configuraciones de giro, lo que hace que todo el sistema no esté sincronizado. Este efecto se vuelve mucho más dominante en campos magnéticos altos, ya que las partes superiores se procesan y cambian su orientación mucho más rápidamente. Sin embargo, un método específico utiliza la luz para mantener la sincronización dentro del sistema, al abordar las diferencias en las diversas configuraciones de espín, la luz mantiene efectivamente todas las peonzas girando en armonía, evitando el desorden y permitiendo el comportamiento cooperativo entre las entidades giratorias incluso a campos magnéticos altos. Este enfoque pone de relieve la fascinante interacción entre la luz y la dinámica del espín atómico.
Los investigadores lograron una mejora de nueve veces en el tiempo que los átomos de cesio mantuvieron su orientación de espín. Sorprendentemente, esta protección funciona incluso cuando los átomos rebotan en las paredes celulares especiales recubiertas de anti-relajación y experimentan frecuentes colisiones internas.
Potencial en el mundo real
Esta técnica podría mejorar significativamente los dispositivos que dependen de los espines atómicos, entre ellos:
- Sensores cuánticos y magnetómetros utilizados en imágenes médicas, arqueología y exploración espacial.
- Sistemas de navegación de precisión que no dependen del GPS.
- Plataformas de información cuántica en las que la estabilidad del espín es clave para almacenar y procesar información.
Debido a que el método funciona en entornos “cálidos” y no requiere un enfriamiento extremo o un ajuste de campo complicado, podría ser más práctico para aplicaciones del mundo real que los enfoques existentes.
Una nueva frontera en la física atómica
“Este enfoque abre un nuevo capítulo en la protección de los sistemas cuánticos del ruido”, dijeron los investigadores. “Al aprovechar el movimiento natural de los átomos y utilizar la luz como estabilizador, ahora podemos preservar la coherencia en una gama más amplia de condiciones nunca vista”.
La investigación se basa en décadas de trabajo en física atómica, pero esta solución simple y elegante, que utiliza la luz para coordinar átomos, es un salto adelante. Puede allanar el camino para tecnologías cuánticas más robustas, precisas y accesibles en un futuro próximo.
El artículo de investigación titulado “Optical Protection of Alkali-Metal Atoms from Spin Relaxation”, se encuentra disponible en Physical Review Letters.
Investigadores:
Avraham Berrebi1, Mark Dikopoltsev1,2, Ori Katz1 y Or Katz3.
Instituciones:
1) Departamento de Física Aplicada, Facultad de Ciencias, Centro de Nanociencia y Nanotecnología, Universidad Hebrea de Jerusalem.
2) Refael Ltd.
3) Escuela de Física Aplicada e Ingeniería, Universidad de Cornell.
