Utilizando una peculiaridad de la mecánica cuántica, los investigadores han creado un cristal de berilio capaz de detectar campos electromagnéticos increíblemente débiles. El trabajo podría usarse algún día para detectar hipotéticas partículas de materia oscura llamadas axiones.
Los investigadores crearon su cristal cuántico atrapando 150 partículas o iones de berilio cargados utilizando un sistema de electrodos y campos magnéticos que ayudaron a superar su repulsión natural el uno por el otro, dijo Ana Maria Rey, física atómica de JILA, un instituto conjunto entre el Instituto Nacional de Standards and Technology y la Universidad de Colorado Boulder, a Live Science.
Cuando Rey y sus colegas atraparon los iones con su sistema de campos y electrodos, los átomos se autoensamblaron en una hoja plana dos veces más gruesa que un cabello humano. Este colectivo organizado se parecía a un cristal que vibraría cuando fuera perturbado por alguna fuerza externa.
“Cuando excitas los átomos, no se mueven individualmente”, dijo Rey. “Se mueven como un todo”.
Cuando ese “cristal” de berilio encontró un campo electromagnético, se movió en respuesta, y ese movimiento podría traducirse en una medida de la intensidad del campo. Pero las mediciones de cualquier sistema de mecánica cuántica están sujetas a límites establecidos por el principio de incertidumbre de Heisenberg, que establece que ciertas propiedades de una partícula, como su posición y momento, no pueden conocerse simultáneamente con alta precisión. El equipo descubrió una manera de sortear este límite con el entrelazamiento, donde los atributos de las partículas cuánticas están intrínsecamente vinculados entre sí.
“Al usar el entrelazamiento, podemos sentir cosas que de otra manera no serían posibles”, dijo Rey.
En este caso, ella y sus colegas enredaron los movimientos de los iones de berilio con sus giros. Los sistemas cuánticos se asemejan a pequeñas cimas y el giro describe la dirección, digamos hacia arriba o hacia abajo, hacia la que apuntan esas cimas.
Cuando el cristal vibra, se mueve una cierta cantidad. Pero debido al principio de incertidumbre, cualquier medida de ese desplazamiento, o la cantidad de iones que se muevan, estaría sujeta a límites de precisión y contendría mucho de lo que se conoce como ruido cuántico, dijo Rey.
Para medir el desplazamiento, “necesitamos un desplazamiento mayor que el ruido cuántico”, dijo.
El enredo entre los movimientos de los iones y sus giros esparce este ruido, reduciéndolo y permitiendo a los investigadores medir fluctuaciones ultra-diminutas en el cristal. Probaron el sistema enviando una onda electromagnética débil a través de él y viéndolo vibrar. El trabajo se describe el 6 de agosto en la revista Science.
El cristal ya es 10 veces más sensible para detectar pequeñas señales electromagnéticas que los sensores cuánticos anteriores. Pero el equipo cree que con más iones de berilio, podrían crear un detector aún más sensible capaz de buscar axiones.
Los axiones son una partícula de materia oscura ultraligera propuesta con una millonésima o mil millonésima masa de un electrón. Algunos modelos del axión sugieren que a veces puede convertirse en un fotón, en cuyo caso ya no estaría oscuro y produciría un campo electromagnético débil. Si algún axión pasara por un laboratorio que contenga este cristal de berilio, el cristal podría detectar su presencia.
“Creo que es un resultado hermoso y un experimento impresionante”, dijo a Live Science Daniel Carney, físico teórico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Berkeley, California, que no participó en la investigación.
Además de ayudar en la búsqueda de materia oscura, Carney cree que el trabajo podría encontrar muchas aplicaciones, como buscar campos electromagnéticos perdidos en cables en un laboratorio o buscar defectos en un material.
Fuente: Live Science.
