Nueva técnica de enfriamiento de Sísifo podría aumentar la precisión de los relojes atómicos

29 de agosto de 2024 característica

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por Ingrid Fadelli , Phys.org

Investigadores del Grupo de Relojes Ópticos de Átomos Neutros en el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST), Universidad de Colorado y Universidad Estatal de Pensilvania recientemente idearon una nueva técnica de enfriamiento de Sísifo sub-recoil que podría ayudar a mejorar la precisión de los relojes atómicos.

Esta técnica, detallada en un artículo publicado en Physical Review Letters, fue utilizada inicialmente para crear un reloj de red óptica de iterbio de alto rendimiento, pero también podría ayudar en el desarrollo de otros relojes y herramientas de metrología cuántica.

'La espectroscopía de precisión es un campo de investigación muy amplio con una larga historia,' Chun-Chia Chen, coautor del artículo, le dijo a Phys.org. 'Los físicos atómicos realizan estudios de espectroscopía en objetos que van desde átomos e iones hasta moléculas y más. Quizás sorprendentemente, se realizó espectroscopía de alta precisión también sobre la antimateria, que es un campo de investigación activo actualmente siendo explorado en el CERN.'

Mientras intentaban mejorar la precisión y precisión de los relojes atómicos, Chen y sus colegas en el NIST se encontraron con un artículo que describía un nuevo esquema para el enfriamiento por láser de Sísifo de hidrógeno y anti-hidrógeno. Tomando inspiración de este esquema, se propusieron idear un enfoque de enfriamiento similar que pudiera mejorar el rendimiento de sus relojes atómicos.

Los relojes atómicos son dispositivos de medición del tiempo que hacen referencia a una frecuencia al movimiento oscilatorio de los átomos. El funcionamiento de estos relojes se basa en técnicas de espectroscopía de alta precisión que abordan estados atómicos con largos tiempos de vida y una estrecha anchura de línea de transición entre estos estados, que suele estar en el nivel sub-Hz.

'Tradicionalmente, utilizamos esta característica de espectroscopía ultraestrecha para fines de estabilización de frecuencia, lo cual es la idea principal para los estándares de frecuencia de vanguardia actuales y los relojes atómicos ópticos,' explicó Chen. 'Sin embargo, antes de llevar a cabo espectroscopía de alta precisión, utilizamos la excitación ultraestrecha junto con otra herramienta de ingeniería cuántica para la implementación del enfriamiento de Sísifo.'

Básicamente, Chen y sus colegas diseñaron estratégicamente el desplazamiento de energía de su estado de reloj excitado siguiendo un patrón periódicamente modulado. Este método les permitió controlar con precisión el lugar donde ocurre una excitación de línea de reloj dentro de su proceso de enfriamiento de Sísifo.

'Más específicamente, configuramos la condición de excitación de manera que ocurra preferiblemente en la posición correspondiente al fondo del paisaje potencial periódico,' dijo Chen. 'Una vez excitados, los átomos pierden su energía cinética escalando el potencial y salen preferentemente del paisaje potencial lejos del mínimo del potencial. El enfriamiento se realiza después de escalar repetidamente el potencial de energía.'

Como parte de su estudio reciente, los investigadores demostraron su esquema de enfriamiento de Sísifo aprovechando la transición ultraestrecha de un reloj de red óptica basado en iterbio. Sin embargo, el mismo enfoque teóricamente también debería ser aplicable a otros sistemas equipados con transiciones de línea estrecha.

'En las últimas dos décadas, el objetivo de lograr la espectroscopía de reloj de alta precisión de átomos neutros se ha logrado mejor creando condiciones de captura idénticas para átomos tanto en el estado fundamental como en el estado de reloj excitado,' explicó Chen.

'Esto se logra mediante la creación de una trampa formada por láseres en una onda estacionaria y que opera a lo que llamamos una longitud de onda mágica. En esta situación, una diferencia en el potencial de captura sentido por los átomos en los dos estados atómicos esencialmente enemigo para la realización de una espectroscopía de reloj de alta precisión.'

Los esfuerzos más recientes destinados a avanzar en la espectroscopía de reloj han explorado estrategias para minimizar la diferencia de potencial de trampa entre el estado fundamental y el estado de reloj excitado. Para abordar este desafío, Chen y sus colegas se enfocaron en mejorar el enfriamiento de muestras antes de llevar a cabo la espectroscopía de reloj de alta precisión.

'Para lograr un enfriamiento mejorado durante la preparación de la muestra antes de llevar a cabo la espectroscopía de reloj, introdujimos momentáneamente un desplazamiento de estado excitado espacialmente ingenierizado, que introdujo más, no menos, diferencia de potencial de trampa para los dos estados de reloj,' dijo Chen.

'Hacerlo nos permitió comprender el mecanismo de enfriamiento de Sísifo, lo que a su vez mejoró la condición de la muestra más tarde para una mejor espectroscopia de reloj con menos diferencia de potencial de trampa. Además, las temperaturas más frías nos ayudaron a utilizar trampas más superficiales en los átomos, lo que también redujo esta diferencia.'

La nueva técnica de enfriamiento de Sísifo ideada por este equipo de investigadores podría ayudar pronto a mejorar la precisión de otros sistemas de relojes ópticos. Además, podría utilizarse para enfriar muestras para otras tecnologías emergentes, incluido el procesamiento de información cuántica y sistemas informáticos. En sus próximos estudios, estos investigadores planean continuar utilizando su técnica de enfriamiento de Sísifo para mejorar la precisión de los relojes de rejilla óptica desarrollados en el NIST.

'El enfriamiento adicional nos permite crear conjuntos de átomos con condiciones más uniformes dentro de la trampa láser de onda estacionaria de longitud de onda mágica,' agregó el investigador Andrew Ludlow. 'Esto, a su vez, nos permite caracterizar más cuidadosa y precisamente los pequeños efectos del láser de trampa en la frecuencia del reloj.'

'Además, las temperaturas más bajas nos permiten mantener los átomos en trampas láser aún más débiles, donde los efectos no deseados de trampa son aún más pequeños. Después de algunas mediciones cuidadosas en las que actualmente estamos trabajando, todo esto se traducirá en una mayor precisión del reloj.'

Más información: Chun-Chia Chen et al, Clock-Line-Mediated Sisyphus Cooling, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.053401. En arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2406.13782

Información del diario: Physical Review Letters, arXiv

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