Medición del Tiempo Mediante la Naturaleza Ondulatoria que Surge de los Estados Cuánticos de los Átomos de Rydberg

^{Crédito: NIST}  

^{Por: Amal Pushp, Físico Afiliado de Resonance Science Foundation}  

Uno de los aspectos de la naturaleza que ha fascinado a los pensadores durante siglos es el tiempo. El físico Isaac Newton consideraba que el tiempo era una entidad absoluta, es decir, la misma para todos los lugares del universo e independiente de los observadores. Esta noción fue muy crucial para la llegada de la mecánica newtoniana. El concepto de tiempo absoluto prepara el terreno para otro término llamado espacio absoluto, que según la convicción newtoniana son dos facetas separadas de la realidad objetiva que no dependen la una de la otra. Sin embargo, esta idea sobre el tiempo y el espacio sufrió una importante alteración después de que Einstein presentara su influyente teoría de la relatividad, que cambió los fundamentos mismos de cómo pensábamos en el tiempo, el espacio y sus interacciones con los acontecimientos físicos.  

El tiempo, que se considera una cuarta dimensión tras la introducción de la teoría de la relatividad de Einstein, suele caracterizar diversas propiedades de los sucesos físicos, como la cuantificación de la velocidad de cambio de los observables físicos asociados a un suceso concreto.  

Casi todos los sucesos físicos están modulados por dispositivos que guardan el tiempo, ya que es necesario llevar un registro de todos los observables que son una función del tiempo. Esto, a su vez, ayuda a realizar cálculos útiles asociados a un experimento concreto. Los dispositivos para medir el tiempo han avanzado desde los relojes de sol y de arena que se utilizaban en la antigüedad hasta los relojes cuánticos (que funcionan mediante el control de los estados atómicos) que se utilizan en los tiempos modernos. Aquí (here), se puede encontrar una relación histórica de todos los dispositivos utilizados para medir el tiempo.  

Las técnicas tradicionales para medir el tiempo, como las de los dispositivos antes mencionados, siguen un esquema predefinido. Por ejemplo, los relojes atómicos miden un segundo calculando la frecuencia necesaria para que un electrón transite entre dos niveles de energía fijos en un átomo de cesio. 

^{El proceso de excitación del estado de Rydberg: La curva gris discontinua denota el campo eléctrico del láser. El electrón de valencia se libera por efecto túnel en uno de los distintos ciclos ópticos del pulso, tras lo cual evoluciona en el campo láser. Los electrones capturados en un determinado estado de Rydberg en una dirección (órbita 1 y órbita 3) o en la otra (órbita 2 y órbita 4) tienen fases diferentes e interferirán, lo que conduce a una estructura de pico en la dependencia de la intensidad con un intervalo de ∆ Up = 𝜔 . La interferencia entre las dos direcciones conduce a una estructura de pico con un intervalo de ∆ Up =2𝜔 . Fuente de la figura y del texto: Jing Chen et al.}  

Sin embargo, en un trabajo reciente, investigadores de la Universidad de Uppsala han ideado un método de vanguardia para contar el tiempo [1]. Su técnica se basa en la naturaleza ondulatoria que emana de los paquetes de ondas de Rydberg, que son objetos matemáticos para representar el modo en que los electrones se mueven dentro de los átomos de Rydberg, que se definen (defined) como átomos a los que se les ha disparado con láseres para empujar sus electrones a estados de energía extremadamente altos que los alejan del núcleo.

Los paquetes de ondas de Rydberg interactúan entre sí para producir patrones de interferencia (la figura gráfica anterior muestra cómo los electrones en un estado de Rydberg con fases distintas producen patrones de interferencia). Se espera que haya una serie de patrones únicos creados como resultado del fenómeno de interferencia y que cada patrón distinto determine la cantidad de tiempo única que toma la evolución de un paquete de ondas individual en comparación con otros en el conjunto. Este rasgo característico permite que puedan emplearse como "marcas de tiempo". 

Los investigadores han asociado una terminología técnica a las distintas oscilaciones resultantes de los estados de Rydberg y éstas se denominan firmas de latido cuasi únicas (QUBS). Cada oscilación actúa como una huella digital, ya que determina el tiempo transcurrido tras la creación de cada paquete de ondas. En su artículo original, publicado en la revista Physical Review Research (PRR), se menciona que el cronómetro basado en QUBS no emplea un contador, a diferencia de los relojes tradicionales, como los mecánicos, los de cristal de cuarzo o los atómicos. Esta característica la convierte realmente en una técnica novedosa de gran importancia para medir el tiempo. Esto podría ofrecer ricas consecuencias con respecto a los aspectos físicos y también suministrar interesantes aplicaciones tecnológicas a diversos campos de investigación. 

Referencias  

[1] Marta Berholts et al, Quantum watch and its intrinsic proof of accuracy, Physical Review Research (2022). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.043041