En la vida cotidiana, medir la temperatura es bastante sencillo. Pero en el mundo cuántico, que se ocupa de lo súper pequeño y lo ultrafrío, determinar qué tan caliente o frío está algo comienza a ser más difícil. Ahora, en una colaboración entre losOkinawa Institute of Science and Technology Graduate University OIST, University College Dublin y Trinity College Dublin, los investigadores han descrito un proceso cuántico que utiliza un solo átomo como termómetro para medir con sensibilidad la temperatura de un gas ultrafrío.
"Como físicos cuánticos, nuestro objetivo final es crear y medir sistemas lo más cerca posible del cero absoluto. Este es el límite de temperatura más bajo, alrededor de -273 ° C o cero en la escala de temperatura Kelvin, y es cuando las partículas dejan de moverse. Estos sistemas ultrafríos son importantes para aprovechar con éxito las tecnologías cuánticas o reducir el ruido en experimentos cuánticos ", dijo el profesor Thomas Busch, jefe de la Unidad de Sistemas Cuánticos en OIST y coautor del estudio, publicado como sugerencia del editor en. Cartas de revisión física . "Por lo tanto, ser capaz de detectar cambios mínimos en la temperatura, a solo decenas de mil millonésimas de grado por encima de cero kelvin, es fundamental".
Por lo general, a temperatura ambiente hay más de cien mil millones de billones de átomos zumbando a velocidades de hasta 300-400 metros por segundo. "Cuando medimos la temperatura en una habitación, no intentamos medir el movimiento detodos estos átomos, simplemente tomamos medidas con un termómetro ", dijo el Dr. Thomás Fogarty, científico de la Unidad de Sistemas Cuánticos." Aunque uno podría, en principio, intentar medir la velocidad de todos los átomos en un sistema cuántico, nosotrosquería diseñar un método mejor y más simple que utiliza un termómetro cuántico ".
Pero usar un termómetro para medir un sistema cuántico no es simple. Estos sistemas son más fríos que cualquier lugar que exista naturalmente en el universo. También son muy pequeños, contienen solo alrededor de 100,000 átomos en el gas. Si el termómetro es demasiadogrande o demasiado caliente, calentaría el gas que se estaba midiendo y destruiría las propiedades cuánticas del sistema. Así que, en cambio, el enfoque que adoptó esta colaboración fue utilizar un termómetro que también era muy pequeño y muy frío: un solo átomo súper enfriado.
Cuando se agrega por primera vez al sistema, este átomo de termómetro existe en dos estados de energía diferentes al mismo tiempo, una propiedad única y contraintuitiva de los sistemas cuánticos. Pero a medida que el átomo del termómetro interactúa con el gas ultrafrío, elcaracterísticas de esta desintegración combinada del estado de energía. La velocidad a la que se produce esta desintegración está directamente relacionada con la temperatura del gas ultrafrío que se está probando, por lo que a medida que los científicos miden el estado del átomo del termómetro, pueden inferir con precisión la temperatura.
"Este proceso esencialmente destruye la 'cuantidad' del átomo del termómetro a través de interacciones con el gas, lo que lo convierte en un verdadero termómetro cuántico", explicó el Dr. Fogarty.
Los investigadores también informaron los tiempos óptimos para cuando se deben tomar las medidas, así como la fuerza ideal de las interacciones entre el átomo y el gas, para obtener la mejor sensibilidad y la menor cantidad de ruido. Cuanto más frío esté el gas, cuanto más lento ocurre el proceso de desintegración, ya que el átomo individual interactúa más lentamente y con menos frecuencia con el gas ". Por lo tanto, para medir la temperatura en los extremos más bajos, debemos esperar mucho tiempo antes de medir y necesitamos interacciones más débiles para maximizarla señal y minimizar el ruido ", agregó el Dr. Fogarty.
El equipo ahora está explorando numerosos caminos para mejorar la sensibilidad del método, como mediante el uso del aprendizaje automático para optimizar las interacciones entre el átomo del termómetro y el gas, o al introducir más átomos del termómetro en el sistema para que puedan ocurrir interacciones cuánticas más complejas.
"Este nuevo método ha superado los límites de la termometría, que tiene importantes aplicaciones para la tecnología cuántica", concluyó el profesor Busch. "Espero que veamos que se utilizará muy pronto en experimentos".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Posgrado del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST . Original escrito por Dani Ellenby. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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