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Premio Nobel 2012: Dos obreros de la Óptica Cuántica

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Dr. Robert GuzmánPremio Nobel 2012: Dos obreros de la Óptica Cuántica

por: Dr. Robert Guzmán.

El Premio Nobel de Física de este año ha sido otorgado a los profesores  Serge Haroche y David J. Wineland. El anuncio de La Academia Sueca reza: “por los innovadores métodos experimentales que permiten la medición y la manipulación de los sistemas cuánticos individuales”.  ¿Qué significa “innovadores métodos que permiten la medición y la manipulación de los sistemas cuánticos individuales”? En esta columna intentaré explicar el anuncio en cuestión.

 

 

En realidad la parte del anuncio que reza “…los innovadores métodos experimentales…” se refiere a dos trampas, versiones ultra-mejoradas del desarrollo logrado por otros tres premios Nobel (uno de ellos, Ramsey, fue profesor de Wineland) y un kit de instrumentos y técnicas utilizados para explorar dentro de esas trampas.

Atrapando un único átomo.

La trampa que ocupa el Profesor Wineland en el NIST atrapa un único ion, por ello se llama trampa de iones. Como lo expresa en su entrevista Nobel sorpresa (lo llamaron mientras dormía), Wineland ha dedicado gran parte de su vida a tomar átomos de la segunda columna de la tabla periódica, extraerles uno de los dos electrones más externos y, cuidadosamente, ponerlos dentro de la trampa.

Sin un electrón, estos átomos quedan cargados positivamente y son presa fácil de cualquier campo electromagnético. Recuerde, si se pone una carga en una región del espacio donde hay un campo electromagnético, la carga estará sometida a una fuerza. Claro, si hay fuerza hay aceleración y si hay aceleración hay velocidad y por tanto movimiento. La clave está en diseñar adecuadamente la estructura del campo electromagnético de tal forma que se pueda controlar el movimiento del ion a voluntad. Para ello, es cosa de elegir los electrodos, con la geometría apropiada, conectarlos a la red eléctrica y esperar que los campos obliguen al ión a quedarse en una región muy pequeña del espacio, es decir, atraparlo. Por supuesto, hay detalles de estabilidad, control, blindaje y otros que para cualquier físico, no pasan desapercibidos. Considere además que cuentan con un gran presupuesto, mucha gente capacitada y, lo que es más valioso, libertad para “jugar” con los iones, sin exigencias de publicaciones como contraparte del presupuesto. Bajo este contexto, no existe inestabilidad que se resista.

Como dije, ese  desarrollo, debido a W. Paul y H. G Dehmelt, ya fue galardonado con el Nobel de 1989, pero aquella trampa funcionaba para iones moleculares, todos los espectrómetros de masa modernos lo usan. Hacerlo para un átomo implica un nivel de desarrollo más elaborado, llevar el control y la estabilidad hasta los límites más extremos. Bueno, Wineland tuvo la perseverancia suficiente para mejorar la trampa como para que funcionara sobre iones atómicos.  Si me preguntan, solamente alcanzar esos nuevos límites ya amerita el premio, pero, como explicaré más abajo, en esas ligas eso no basta.

Atrapando un único fotón.

La “trampa” del Profesor Haroche en Francia, “atrapa” fotones (sí, entre comillas, eso de atrapar fotones es una ilusión que dura fracciones pequeñas de segundo). A diferencia de los iones, los fotones no obedecen a los campos electromagnéticos tan fácilmente. Además, su masa es cero y por lo tanto siempre están en movimiento. Como si esto fuera poco, la velocidad a la que viajan es 299.792.458 m/s (aproximadamente 1079 millones de kilometros por hora). Solo hay dos posibilidades con los fotones, hacerlos circular o “matarlos” (en realidad, son absorbidos por la materia y su energía transformada en corriente eléctrica o calor).

Si se quiere explorar el comportamiento de los fotones en su “estado salvaje” entonces la última no es opción. Sin embargo, los fotones pueden rebotar cuando se encuentran con superficies conductoras (el espejo del baño, funciona por esa propiedad de los fotones visibles). Bueno, entonces es cosa de enfrentar dos espejos paralelos, dejar pasar un fotón a la región interior y este permanecerá rebotando por un tiempo y luego escapa o muere en el intento. En Física esto se conoce como, reflexión, transmisión y absorción del fotón. Por razones técnicas la “trampa” de fotones toma el nombre de cavidad electrodinámica.

Aunque el principio parece fácil, hacerlo para un solo fotón es extremadamente complicado, requiere de la misma entereza, paciencia entusiasmo y presupuesto que  atrapar iones. Como Haroche lo explica en su entrevista telefónica, (no, no estaba durmiendo, pues Francia está más cerca de Suecia que EEUU) gran parte de su carrera ha estado dedicada a mejorar la cavidad propuesta por Ramsey hasta el nivel de “atrapar” un solo fotón entre dos espejos por el tiempo suficiente para explorar sus propiedades (las del fotón).

Explorando un ión atómico con haces de fotones y un único fotón con haces de átomos.

Qué hay de la segunda parte del anuncio: “…que permiten la medición y la manipulación de los sistemas cuánticos individuales…”.

La pregunta obvia es ¿qué hicieron Haroche y Wineland con sus trampas? Como ya mencioné, el primero atrapó un solo ión el segundo un solo fotón y entonces hicieron lo que todo físico haría, buscar con qué darle y ver que sale. Por si algunos de mis profesores llega a leer esta columna, haré dos precisiones, la primera es que sí sabían lo que iba a salir y la segunda es que sabían con que darle.

Sabían que podían obtener como resultado porque aprobaron el curso de Mecánica Cuántica Avanzada e hicieron todos los cálculos de interacción radiación-materia que, por simplicidad y motivos pedagógicos, consideran sólo un átomo con un sólo modo de campo electromagnético. Como sucede en estos casos, por una cuestión de factibilidad técnica, no existían resultados experimentales en ese entonces.

Respecto a las herramientas que usaron para explorar no son menos exóticas. Wineland pertenece a la generación láser y sabía que ese instrumento le podría ayudar a extraer información del ion. Mención especial para una técnica merecedora del Nobel de 1997 (en ese premio fue galardonado el profesor de Haroche, C. Cohen-Tannoudji), el enfriamiento láser. Esta técnica permite tomar el ion de la trampa y llevarlo controladamente a su estado de energía más bajo, así como mover el electrón, controladamente, entre sus estados cuánticos. Por su parte Haroche, usó un haz de átomos (conocidos como átomos de Rydberg) para explorar los estados del fotón en la cavidad. Esto debe hacerse de tal forma que la interacción el átomo con el fotón sea más rápida que el tiempo de vida del fotón.

Con este kit de instrumentos Haroche, Wineland y (como Wineland admite en la entrevista telefónica post-anuncio) muchísimos otros próceres anónimos más, paulatinamente, transformaron en Física todo lo que, cuando ellos estudiaron, era Matemática, la teoría de interacción radiación-materia para un sólo átomo y un solo modo de campo electromagnético. Ese es el aporte fundamental de los galardonados de este año. En el camino de esta búsqueda desarrollaron la precisión de las técnicas de espectroscopía, de control y atrapamiento necesarios. Éstas a su vez servirán para transformar en Física lo que ahora es matemática y quien sabe en el camino encontrar algo nuevo e inesperado.

Impacto en el futuro del conocimiento y la tecnología

Ahora, debe tomar en cuenta que NIST significa National Institute for Standars of Technology de EEUU. ¿Qué ofreció Wineland al NIST para que le dieran la oportunidad de trabajar con estos aparatos? La respuesta es un reloj más preciso. Tal vez esté tentado a creer que los americanos tienen mucha plata y desperdician su dinero. Considere dos cosas: la primera, los computadores dependen de un reloj para funcionar, mientras más preciso y estable sea ese reloj, más cálculos confiables puede hacer. Lo mismo se puede afirmar para las comunicaciones de fibra óptica y satelitales. Esto es sólo un ejemplo de las aplicaciones que los trabajos de Wineland tienen por delante.

En el caso Francés, la cosa es más fácil pues por tradición el estado francés ha apoyado todo el desarrollo del conocimiento. En este caso, también podría decirse (en la perspectiva de los tecnócratas de Friedman)  que el estado desperdició su plata puesto que las perspectivas de aplicación, de los resultados obtenidos por Haroche, serán de un plazo aún más largo. No se equivoque, la mayor parte del satélite chileno SSOT (o FASAT CHARLIE), puesto en órbita en el 2011 fue desarrollado en Francia.

Un cuento aparte es que el conocimiento preciso, controlado y detallado de la interacción átomo-campo, permitió que el sueño de Feynman, de hacer computadores con átomos, sea una realidad que se asoma en el horizonte del desarrollo tecnológico futuro. Pero esto último será un cuento que espero contar en otra columna en el futuro.

Doctores Serge Haroche y David J. Wineland

Doctores Serge Haroche y David J. Wineland, ganadores premio Nobel de Física 2012 (Imágen, Periódico La Razón)