En el Departamento de Física de Exactas UBA se está terminando de armar un nuevo laboratorio de características únicas en América Latina que permitirá la captura y manipulación de iones fríos, y su utilización en investigación básica y aplicada.
Se trata de una tecnología que dominan menos de veinte países en el mundo. El proyecto posibilitará el estudio de algunos de los aspectos más extraños de la mecánica cuántica.
Existe una notable coincidencia entre los físicos en considerar que en las últimas dos décadas el mundo está viviendo una verdadera revolución de la mecánica cuántica. Revolución que se genera a partir de que muchos de los experimentos imaginados para formular y discutir sus propiedades más curiosas hoy están siendo realizados en diferentes laboratorios a lo largo del planeta. Estos avances han contribuido al surgimiento de un nuevo tipo de tecnologías cuánticas con aplicaciones en el procesamiento de la información, en el desarrollo de dispositivos ultrasensibles y en la definición de nuevos patrones metrológicos (relojes atómicos).
Durante el siglo XXI, por ejemplo, se han logrado grandes avances en la manipulación y el control de sistemas cuánticos individuales. Este campo ha alcanzado un alto grado de desarrollo y de relevancia, a tal punto que varios Premios Nobel en física han sido otorgados a investigadores vinculados con el atrapamiento, la manipulación y el enfriamiento de materia coherente (átomos o iones) y el estudio de sus propiedades cuánticas. Este interés difícilmente se revierta en los próximos años. Sin embargo, en nuestro país, la física de materia fría constituía un área en absoluta vacancia. Este hecho representaba una clara debilidad de la Argentina en la búsqueda de su desarrollo científico y tecnológico.
Con el objetivo de cubrir este vacío, en el primer piso del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA (Exactas UBA), se está terminando de armar el Laboratorio de Iones y Átomos Fríos (LIAF). Allí, un grupo de científicos argentinos planea hacer experimentos manipulando iones y átomos de a uno a la vez, analizar su interacción con la luz, explorar algunos de los aspectos más exóticos de la mecánica cuántica e investigar la posibilidad de utilizarlos para construir relojes más precisos, sensores gravimétricos ultrasensibles y simuladores cuánticos, entre otras tecnologías de avanzada.
“Este laboratorio surge, en buena medida, gracias al empuje y las ganas de Juan Pablo Paz, quien desde siempre quería que se hiciera física cuántica experimental en la Argentina”, cuenta Christian Schmiegelow, y recuerda: “Desde que empecé el doctorado, él repetía que si alguien se formaba y demostraba estar capacitado para armar un laboratorio de física atómica en régimen cuántico, pondría todo su empeño para concretar ese sueño”.
Y así lo hizo Schmiegelow. Físico de la Universidad de La Plata, viajó a Alemania para hacer una beca posdoctoral en el Laboratorio de Iones Atrapados en la Universidad de Mainz. “Durante algún tiempo tuve dudas acerca de lo que quería para mi futuro pero sobre el final de mi estadía en el exterior, todo se cristalizó. Tenía el conocimiento y las ganas. Entonces levanté el teléfono, lo llamé a Juan Pablo y le pregunté: ‘¿Hacemos el laboratorio?’ Enseguida me dijo que sí”.
Juan Pablo Paz es profesor del Departamento de Física de Exactas UBA, investigador del CONICET y un referente internacional en mecánica cuántica, en general, y computación cuántica, en particular. A Schmiegelow y Paz se sumaron Augusto Roncaglia y Miguel Larotonda, también profesores de ese Departamento e investigadores del CONICET. Los cuatro conforman el grupo fundador del LIAF.
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| A Schmiegelow. |
Con la decisión tomada, el grupo elaboró un documento con el proyecto. Sobre esa base, el Departamento de Física le asignó un espacio de alrededor de 120 metros cuadrados en el primer piso del Pabellón I de Ciudad Universitaria. Al mismo tiempo, con el aval del Departamento, se presentaron ante el Ministerio de Ciencia para solicitar un subsidio PME (Proyecto de Modernización de Equipamiento) por un monto aproximado a los 16 millones de pesos, es decir, un poco más de un millón de dólares. El PME, que viene sufriendo demoras, fue aprobado a principios de 2017 y se espera que los recursos lleguen antes de fin de año.
Lo cierto es que, durante 2016 y en lo que va de este año, se completaron los trabajos de infraestructura necesarios que incluyeron: instalación eléctrica a nuevo, adecuación de dos salas con aislación, acondicionamiento térmico y filtrado de aire, pisos técnicos y mesas ópticas, entre otros. Se trata de requerimientos básicos para instalar los equipos y no tener problemas en el futuro. “Los laboratorios están hechos como uno esperaría encontrarlos en cualquier país desarrollado”, se entusiasma Schmiegelow.
Sólo en 18 naciones del mundo existen laboratorios que dominan el atrapamiento y enfriamiento de iones. En América Latina, ningún país ha realizado, hasta ahora, experimentos de este tipo. Sin embargo, en México y, particularmente, en Brasil, desde hace varios años existen algunos grupos que vienen trabajando sobre la manipulación coherente de materia fría aunque, por el momento, sólo lo han hecho con átomos fríos.”Ahora, en la Universidad de San Pablo están creando su primer grupo de iones fríos. Así que estamos compitiendo amistosamente para ver quién logra atrapar el primer ion frío en América Latina”, señala Schmiegelow y lanza de inmediato su promesa más audaz: “Tenemos todo encaminado para poder atrapar nuestro primer ion frío antes de fin de año”.
Luz, relojes y sensores
El LIAF se irá poniendo en marcha por etapas. En una primera fase el objetivo es montar un laboratorio de iones atrapados para realizar experimentos en el campo de los fundamentos de la mecánica cuántica, la óptica cuántica, la espectroscopía coherente de alta resolución y la información cuántica. La idea es que las instalaciones permitan llevar adelante tanto proyectos básicos como aplicados.
“Uno de los temas sobre el queremos trabajar es tratar de entender cómo construir un reloj atómico más preciso”, adelanta Schmiegelow. Actualmente, los relojes atómicos tienen como estándar el reloj de cesio que tiene una precisión tal que adelanta o atrasa menos de un segundo cada 300 millones de años. Ahora se investiga el desarrollo de nuevos relojes atómicos construidos con iones atrapados. Se trata de relojes tan precisos que han permitido, por ejemplo, poner en evidencia la dilatación del tiempo con la altura, tal como lo predice la teoría de la relatividad general. “Por supuesto que esta búsqueda no tiene nada que ver con marcar la hora. Los seres humanos por debajo del milisegundo ya no percibimos nada, pero si a una computadora que está recibiendo millones de datos por segundo una información le llega una millonésima de segundo tarde, sí se da cuenta e incluso puede leer mal la información y provocar errores”, ilustra el físico.
Otra de las incógnitas a la que los investigadores le dedicarán mucho tiempo tiene que ver con la interacción de la luz con la materia. “Queremos entender cómo es que la estructura espacial de la luz cambia la manera en que interactúa con los átomos. Es algo sobre lo que todavía se conoce poco y queremos terminar de resolverlo en el laboratorio, tanto desde el lado teórico como experimental”, cuenta. Por otro lado, los físicos también tratarán de entender cómo funciona la termodinámica en el régimen cuántico, donde hay sólo unas pocas partículas y están superfrías.
Ahora bien, ¿cuál es la razón por la que resulta clave que, para manipularla, la materia tenga que estar superfría? “Nosotros queremos usar los iones y, eventualmente, los átomos que atrapemos como registros de información, como pequeñas computadoritas, como sensores. Si ese objeto que yo quiero usar se está moviendo, parte de la información que uno quiere guardar o sacar se va a perder o no se va a poder interpretar”, ilustra Schmiegelow y, para ser más claro recurre a una analogía: “Si yo te escribo un montón de ceros y unos en un papel y lo dejo quieto, vos lo vas ver perfectamente. Pero si lo empiezo a mover hay un cierto límite más allá del cual vos ya no vas a poder leer esa información. Lo que nosotros hacemos al enfriar la materia es dejarla quieta al límite de lo que nos permite la mecánica cuántica, de manera tal que podamos utilizar esa materia para el fin que queramos en forma más precisa”.
Claro que para lograr ese objetivo es necesario llevar la temperatura de la materia muy cerca del límite del cero absoluto, equivalente aproximado a 273 grados bajo cero. Esa tarea no es para nada sencilla y resulta necesario utilizar una tecnología láser. “Estamos hablando de llevar a la materia por debajo de un milikelvin. Para eso, lo que hacemos es colocar algunos átomos dentro de una cámara de vacío, sostenerlos de alguna manera y, después, les quitamos la energía por medio de un láser”.
Por otro lado, Schmiegelow aclara que en el nuevo laboratorio no van a apostar a la construcción de computadoras cuánticas. “Hacer computadoras cuánticas con técnicas experimentales requiere mucho dinero, mucho equipamiento y mucha gente. Cuatro o cinco de los laboratorios más importantes del mundo están recibiendo millones de dólares por año para avanzar en esa dirección. No tiene sentido competir con ellos”. Pero precisa: “Hay muchas otras cosas más sencillas de tecnología cuántica que valen la pena tanto como las computadoras cuánticas. Por ejemplo: sensores cuánticos y simuladores cuánticos. A desarrollar esta tecnología sí nos vamos a dedicar”.
Pero, más allá de cualquier logro científico o tecnológico, la intención del grupo fundador es que este laboratorio se convierta en una facilidad para que todos los investigadores que lo necesiten se puedan acercar para realizar experimentos de física atómica en el régimen cuántico. Además, en el mediano y largo plazo la meta es incorporar nuevas líneas de investigación en el campo de la manipulación de átomos fríos y la formación de recursos humanos que puedan contribuir al desarrollo de las diversas tecnologías cuánticas en nuestro país.
“Mi sueño es que se forme una escuela de física cuántica experimental en Argentina y que este laboratorio se convierta en el semillero que permita alcanzar ese objetivo”, se ilusiona Schmiegelow, y asegura que pondrá todo su empeño para que convertir ese sueño en realidad.
Fuente: NEX