Estudio: Un solo átomo como sonda de medición utiliza por primera vez información cuántica

Profesor Dr. Artur Widera. (Foto: Koziel/TUK)

Los sensores detectan parámetros específicos como temperatura y presión atmosférica en su entorno. Los físicos de Kaiserslautern, junto con un colega de Hannover, lograron por primera vez utilizar un átomo individual de Cesio como sensor para temperaturas ultrabajas. Para determinar los datos de medición, utilizan los estados cuánticos, el espín o también el momento angular propio del átomo, llamado así. Con ello, midieron la temperatura de un gas ultracool y el campo magnético. El sistema se caracteriza por una sensibilidad especialmente alta. Tales sensores podrían usarse en el futuro, por ejemplo, para investigar sistemas cuánticos sin perturbaciones. El trabajo fue publicado en la prestigiosa revista especializada "Physical Review X".

En sus experimentos, los científicos dirigidos por el profesor Dr. Artur Widera, que investiga sistemas cuánticos, observan átomos individuales de Cesio en un gas de Rubidio enfriado hasta cerca del cero absoluto: la temperatura aquí es solo una milmillonésima parte de un grado por encima de ese cero. En su estudio actual, investigaron si los estados de espín del átomo de Cesio pueden usarse para obtener información. "Por espín se entiende el momento angular propio de un átomo", explica el profesor Widera de la Universidad Técnica de Kaiserslautern (TUK). "En el Cesio hay siete posibilidades diferentes para este espín". El enfoque de los experimentos fue la temperatura del gas.

Cuando el átomo individual de Cesio se introduce en el gas de Rubidio, los átomos de Rubidio colisionan con él. "Durante este proceso, el momento angular puede intercambiarse entre los átomos hasta que se alcanza un equilibrio del espín", explica el Dr. Quentin Bouton, científico principal y autor principal del estudio. Los investigadores miden el espín del átomo individual y, de esta manera, pueden determinar la temperatura. La efectividad de este método se demuestra comparándolo con métodos de medición tradicionales, en los que los físicos obtienen el mismo valor de temperatura.

Lo especial del estudio fue la alta sensibilidad en la medición. En una medición típica, el sensor se pone en contacto con el gas frío y se espera hasta que se alcanza un equilibrio. "Para los sensores cuánticos, en equilibrio, en realidad existe un límite fundamental de sensibilidad. Pero ya habíamos incorporado información previa sobre las interacciones entre el Cesio y el Rubidio, por lo que no tuvimos que esperar a que el átomo alcanzara el equilibrio con el gas de Rubidio", continúa Bouton. Esto hace que el sistema de medición de los investigadores de Kaiserslautern tenga una sensibilidad aproximadamente diez veces mayor que la que exige el límite cuántico fundamental. "Solo necesitamos tres rotaciones de espín, es decir, tres colisiones atómicas, para obtener un resultado", añade Bouton. Así, la perturbación del gas de Rubidio está limitada a solo tres quanta. Esto representa un paso importante hacia una medición con la menor perturbación posible de sistemas cuánticos sensibles, que son relevantes para futuras aplicaciones en tecnología cuántica.

"Por primera vez, hemos utilizado un átomo individual como sensor que aprovecha información cuántica y que es claramente superior a un sensor clásico", destaca Widera. Los físicos también llevaron a cabo este experimento con campos magnéticos y registraron los estados magnéticos. Su sistema, como sensor sensible, es adecuado, por ejemplo, para investigar sistemas cuánticos frágiles casi sin dañarlos.

Además del grupo de trabajo del profesor Widera, participó en el trabajo el profesor Dr. Eberhard Tiemann de Hannover. El estudio fue publicado en la prestigiosa revista especializada Physical Review X: "Single-Atom Quantum Probes for Ultracold Gases Boosted by Nonequilibrium Spin Dynamics"
DOI: 10.1103/PhysRevX.10.011018

Preguntas respondidas por:
Prof. Dr. Artur Widera
Departamento de Sistemas Cuánticos Individuales
Correo electrónico: widera(at)physik.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-4130