Para un no físico, un "colimador de haz atómico" puede sonar como un fáser disparando partículas místicas. Esa podría no ser la peor metáfora para introducir una tecnología que los investigadores ahora han miniaturizado, por lo que es más probable que algún día aterrice en dispositivos portátiles.
Hoy en día, los colimadores de haz atómico se encuentran principalmente en laboratorios de física, donde disparan átomos en un haz que produce fenómenos cuánticos exóticos y que tiene propiedades que pueden ser útiles en tecnologías de precisión. Al reducir los colimadores del tamaño de un pequeño electrodoméstico aLos investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia quieren poner la tecnología a disposición de los ingenieros que hacen avanzar dispositivos como relojes atómicos o acelerómetros, un componente que se encuentra en los teléfonos inteligentes.
"Un dispositivo típico que podría crear con esto es un giroscopio de próxima generación para un sistema de navegación de precisión que es independiente del GPS y se puede usar cuando está fuera del alcance del satélite en una región remota o viajando en el espacio"dijo Chandra Raman, profesora asociada de la Facultad de Física de Georgia Tech y co-investigadora principal del estudio.
La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación de la Marina. Los investigadores publicaron sus resultados en la revista Comunicaciones de la naturaleza el 23 de abril de 2019.
Esto es lo que es un colimador, parte del potencial cuántico en los haces atómicos y cómo el formato del colimador en miniatura podría ayudar a los haces atómicos a dar forma a las nuevas generaciones de tecnología.
escopeta atómica de bolsillo
"Los rayos atómicos colimados han existido durante décadas", dijo Raman, "pero actualmente, los colimadores deben ser grandes para ser precisos".
El haz atómico comienza en una caja llena de átomos, a menudo rubidio, calentada a vapor para que los átomos zumben caóticamente. Un tubo golpea dentro de la caja, y átomos aleatorios con la trayectoria correcta se disparan en el tubo como pellets que entran en elbarril de escopeta.
Al igual que los gránulos que salen de una escopeta, los átomos salen del extremo del tubo disparando razonablemente en línea recta pero también con una pulverización aleatoria de disparos atómicos que vuelan en ángulos sesgados. En un haz atómico, esa pulverización produce ruido de señal y el colimador mejorado-un chip elimina la mayor parte para obtener un haz de átomos más preciso, casi perfectamente paralelo.
El haz es mucho más enfocado y puro que los rayos que provienen de colimadores existentes. A los investigadores también les gustaría que su colimador permitiera a los físicos experimentales crear más convenientemente estados cuánticos complejos.
máquina de inercia inquebrantable
Pero más inmediatamente, el colimador establece una mecánica newtoniana que podría adaptarse para un uso práctico.
Los haces mejorados son corrientes de inercia inquebrantable porque, a diferencia de un haz láser, que está hecho de fotones sin masa, los átomos tienen masa y, por lo tanto, impulso e inercia. Esto hace que sus haces sean puntos de referencia potencialmente ideales en giroscopios impulsados por haz que ayudan a seguir el movimientoy cambios de ubicación.
Los giroscopios actuales en los dispositivos de navegación sin GPS son precisos a corto plazo pero no a largo plazo, lo que significa recalibrarlos o reemplazarlos con tanta frecuencia, y eso los hace menos convenientes, por ejemplo, en la luna o en Marte.
"Los instrumentos convencionales a escala de chip basados en la tecnología MEMS sistemas microelectromecánicos sufren la deriva con el tiempo de varias tensiones", dijo el investigador co-principal Farrokh Ayazi, profesor de Ken Byers en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia Tech. "Para eliminar esa deriva, necesita un mecanismo absolutamente estable. Este haz atómico crea ese tipo de referencia en un chip ".
haz de enredo cuántico
Los átomos excitados por el calor en un haz también se pueden convertir en átomos de Rydberg, que proporcionan una abundancia de propiedades cuánticas
Cuando un átomo se energiza lo suficiente, su electrón en órbita más externo sobresale tanto que el átomo aumenta de tamaño. Orbitando tan lejos con tanta energía, ese electrón más externo se comporta como el electrón solitario de un átomo de hidrógeno, y el átomo de Rydbergactúa como si tuviera un solo protón.
"Puedes diseñar ciertos tipos de enredos cuánticos de múltiples átomos usando los estados de Rydberg porque los átomos interactúan entre sí mucho más fuerte que dos átomos en el estado fundamental", dijo Raman.
"Los átomos de Rydberg también podrían avanzar en las futuras tecnologías de sensores porque son sensibles a los flujos en vigor o en campos electrónicos más pequeños que la escala de un electrón", dijo Ayazi. "También podrían usarse en el procesamiento de información cuántica".
surcos de silicio litografiados
Los investigadores idearon una forma sorprendentemente conveniente de hacer el nuevo colimador, lo que podría alentar a los fabricantes a adoptarlo: cortaron canales largos y extremadamente estrechos a través de una oblea de silicio que corría paralela a su superficie plana. Los canales eran como barriles de escopeta alineados a un ladolado a lado para disparar una serie de rayos atómicos.
El silicio es un material excepcionalmente resbaladizo para que los átomos vuelen y también se usa en muchas tecnologías microelectrónicas e informáticas existentes. Esto abre la posibilidad de combinar estas tecnologías en un chip con el nuevo colimador en miniatura. Litografía, que se utiliza paraetch, la tecnología de chip existente, se utilizó para cortar con precisión los canales del colimador.
La mayor innovación de los investigadores redujo en gran medida el rociado de escopeta, es decir, el ruido de la señal. Cortaron dos huecos en los canales, formando una cascada alineada de tres conjuntos de barriles paralelos.
Los átomos que vuelan en ángulos sesgados saltan de los canales en los huecos y los que vuelan razonablemente paralelos en el primer conjunto de canales continúan al siguiente, luego el proceso se repite pasando del segundo al tercer conjunto de canales. Esto dalos rayos atómicos del nuevo colimador tienen una rectitud excepcional
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Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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