A scanning cavity for large area coherent coupling in atom interferometry

Para medir el mundo con extrema precisión, los científicos suelen recurrir a los átomos. Al enfriar nubes de átomos hasta que se mueven casi tan lentamente como una hoja a la deriva, los investigadores pueden tratarlos como ondas de luz. Estas ondas de materia pueden dividirse, enviarse por diferentes trayectorias y luego recombinarse para revelar los cambios más ínfimos en la gravedad, la rotación o el tiempo. La clave de este proceso es la luz láser utilizada para dar un empujón a los átomos. Para obtener las mediciones más sensibles, los científicos necesitan empujar estos átomos con un haz de luz fuerte y uniforme que cubra un área amplia. Sin embargo, crear tal haz es difícil porque la luz tiende a dispersarse y perder su fuerza con la distancia. Para resolver esto, los científicos utilizan cavidades ópticas, que son esencialmente espejos que atrapan la luz y la hacen rebotar de un lado a otro para aumentar su intensidad. Aunque estas cavidades son potentes, suelen funcionar mejor con haces muy específicos y estrechos, lo que las hace poco adecuadas para las nubes de átomos anchas necesarias para los experimentos más sensibles.

Un equipo de investigadores ha encontrado una forma ingeniosa de convertir un fallo importante de estas cavidades de haz ancho en una herramienta útil. En su experimento, utilizaron un tipo especial de configuración de espejos conocida como resonador marginalmente estable. Si bien estas configuraciones pueden soportar haces grandes, sufren de un defecto: las imperfecciones en los espejos y la alineación causan que la luz en su interior forme una serie de anillos en lugar de un único punto sólido. Además, el tamaño de estos anillos cambia dependiendo del color exacto, o frecuencia, de la luz láser utilizada. En el pasado, este comportamiento se consideró un problema que limitaba cuánto se podía utilizar la nube de átomos. Los investigadores se dieron cuenta de que, en lugar de luchar contra este efecto, podían aprovecharlo. Al barrer rápidamente la frecuencia del láser a través de un rango de valores, podían hacer que el anillo brillante de luz creciera y se encogiera, escaneando efectivamente toda la nube de átomos.

El equipo probó esta idea utilizando una nube de átomos de rubidio enfriada a una temperatura de apenas 2.5 microkelvin. Lanzaron esta nube verticalmente al aire y esperaron hasta que alcanzó la cima de su vuelo, donde se movía muy lentamente. En ese punto, dispararon un pulso láser para dividir y recombinar las ondas de los átomos. En una configuración tradicional donde la frecuencia del láser se mantiene constante, la luz solo interactuaría eficientemente con una fracción minúscula de los átomos en el centro de la nube, dejando el resto sin tocar. Esto resultaba en una eficiencia muy baja, con solo un 5 por ciento de los átomos transfiriéndose con éxito al estado deseado. Por el contrario, cuando los investigadores barrieron la frecuencia del láser a través de la resonancia mientras ajustaban cuidadosamente el brillo del haz, la interacción se volvió uniforme. El anillo de luz en movimiento escaneó todo el ancho de 15.6 milímetros de la nube de átomos, asegurando que cada parte de la nube recibiera el mismo empuje.

Este simple cambio de estrategia produjo una mejora dramática. La eficiencia de la transferencia de los átomos al nuevo estado saltó del 5 por ciento al 28 por ciento. Este es un aumento significativo, especialmente considerando que la nube era mucho más ancha que el tamaño natural del haz de luz dentro de la cavidad. Los investigadores lograron esto compensando el hecho de que la luz es naturalmente más tenue en los bordes de la cavidad; moldearon el pulso de modo que los átomos en el borde recibieran tanta energía como los del centro. El resultado fue una región de interacción casi uniforme que cubrió toda la nube, algo que era imposible con un haz láser estático.

Más allá de simplemente mover los átomos de manera más eficiente, el equipo demostró que este método de escaneo preserva las delicadas propiedades cuánticas requeridas para la interferometría. Construyeron un interferómetro de tres pulsos, un dispositivo que divide las ondas de los átomos, las deja viajar durante un tiempo corto y luego las vuelve a reunir para medir la diferencia en sus trayectorias. Usando sus pulsos con frecuencia modulada (chirped), o de frecuencia barrida, lograron crear un patrón de interferencia, que es la señal que demuestra que los átomos están actuando como ondas coherentes. La señal mostró un contraste del 24 por ciento, lo que indica que los átomos se mantuvieron en fase entre sí durante todo el proceso. Esto demuestra que la técnica de escaneo no altera la información cuántica, a pesar de que la luz se está moviendo y cambiando de forma durante la interacción.

Los investigadores señalaron que la señal se debilitó ligeramente a medida que aumentaba el tiempo entre los pulsos, probablemente debido a pequeñas vibraciones en el equipo que desplazaron los espejos entre sí. Sin embargo, confían en que estos problemas pueden gestionarse con una mejor estabilización. El trabajo establece que la excitación dinámica de estas cavidades especiales es un camino viable para construir interferómetros de área grande. Al convertir una imperfección espacial en un recurso de escaneo, el equipo ha abierto la puerta al uso de estas poderosas trampas de luz para mediciones mucho más grandes y sensibles de lo que se pensaba anteriormente. Este enfoque podría conducir eventualmente a nuevas herramientas para mapear la gravedad de la Tierra o probar las leyes fundamentales de la física con una claridad sin precedentes.