Científicos de la UBA logran atrapar y manipular un ion frío

Un laboratorio argentino logró, por primera vez en América Latina, atrapar y manipular un ion frío. Se trata de una tecnología que manejan menos de 20 países en el mundo.

Camára de ultra-alto vacío con trampa de iones. Foto: F. Meconi.

La exitosa puesta en marcha de esta trampa de iones permitirá avanzar en investigaciones básicas y aplicadas sobre diferentes aspectos de la mecánica cuántica como el procesamiento cuántico de la información y la metrología.

La fecha que quedará registrada será el 7 de febrero de 2019. Ese día, los integrantes del Laboratorio de Iones y Átomos Fríos (LIAF) culminaban un proceso de calibración final de dos semanas para poner en funcionamiento pleno la primera trampa de iones fabricada en el país. “Esa mañana terminamos de encender el último de los equipos y prendimos la trampa. Nos dimos vuelta, nos sentamos en la computadora y, de inmediato, empezamos a ver una señal que empezaba a subir, subir y subir. Hicimos un chequeo para ver si había alguna falla, pero todo funcionaba correctamente. Eran iones. La verdad es que en ese momento, yo estaba frente a la cámara y, en la oscuridad, sin que nadie se diera cuenta, se me piantó un lagrimón”, relata con lenguaje tanguero  el físico Christian Schmiegelow, quien regresó al país luego de hacer un posdoctorado en Alemania para ponerse al frente de este proyecto.

Si bien pocas cosas parece tan alejadas del sentimentalismo como un ion o un átomo frío, la emoción y la alegría es más que entendible. Es que se trata de un hito tecnológico de tal magnitud que nunca antes se había conseguido en ningún laboratorio de América Latina. De hecho, este logro coloca a la Argentina entre un selecto grupo de menos de 20 países que manejan este tipo de  tecnología.

Juan P, Paz, Christian Schmiegelow, Nicolás Nuñez y Martín Drechsler.
Foto: Franco Meconi.

La primera víctima fue un átomo de calcio que, tras ser ionizado, cayó en una trampa ubicada en el interior de una cámara de ultra alto vacío que se encuentra sobre una mesa óptica en una de las salas del LIAF, en el primer piso del Pabellón 1, en el Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA. La trampa es un pequeño dispositivo que genera campos electromagnéticos diseñados para empujar al ion hacia una pequeña región del espacio. La cámara de vacío en la que se ubica la trampa tiene varias ventanas que permiten iluminar el interior con láseres y recolectar la luz emitida por el ion. Los láseres se utilizan tanto para ionizar los átomos como para obligarlos a emitir luz y para enfriarlos.

Con ese equipamiento en marcha 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.

Historia de una trampa

La emoción también se entiende porque esta hazaña científica es la materialización de un sueño que viene soñando Juan Pablo Paz desde la década del 90. 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.

Su objetivo de armar en Argentina un laboratorio de física atómica en régimen cuántico fue acercándose y alejándose según los avatares económicos por los que atravesó el país y la financiación de la ciencia.

“Fue en 2015 cuando finalmente nos propusimos la aventura de, aprovechando el impulso que había tomado la ciencia en el período anterior, construir desde cero una facilidad experimental única en América Latina. Pusimos por escrito el proyecto y decidimos reorientar todos los recursos que teníamos para construir el laboratorio”, recuerda Paz con alegría. Así se formó el grupo fundador del laboratorio, al que además de Paz y Schmiegelow, se sumaron Augusto Roncaglia y Miguel Larotonda, también profesores de ese Departamento e investigadores del CONICET.

Divisor de haz donde se combinan láseres con los que se
 foto-ionizan átomos de Calcio. Foto: Franco Meconi.

Una vez que el Departamento de Física (Exactas UBA) les asignó un espacio de alrededor de 120 metros cuadrados, comenzaron 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. “Durante bastante tiempo trabajé como maestro mayor de obras”, se ríe Schmiegelow. Asimismo, mientras en Buenos Aires se desarrollaron íntegramente los sistemas láser y electrónicos, primero Schmiegelow y luego Martín Drechsler viajaron a Alemania para construir la trampa de iones en la Universidad de Mainz. Ese equipo, junto a otros accesorios, luego se importó a un precio simbólico gracias al apoyo de Ferdinand Schmidt Kaler, director del Grupo de Iones Fríos de esa Universidad.

El recorrido de ese arduo camino, que incluyó demoras en la percepción de fondos y desperfectos varios que obligaron a los investigadores a aguzar su ingenio para resolverlos con escasos recursos, implicó tres años de trabajo que culminaron en diciembre del año pasado cuando se dejó todo listo para el logro que iba a ocurrir en febrero.

“Estoy muy contento porque ésta ha sido una aventura que tuvo éxito. Nosotros somo conocidos en la comunidad internacional por nuestros trabajos teóricos, que venimos haciendo desde hace tiempo. Pero ahora, sabemos que este laboratorio nos va a poner en la mira del mundo porque pasamos a integrar el mapa de los países con grupos experimentales que hacen  investigación de punta en la física de iones fríos”, asegura Paz con orgullo. Y adelanta: “La inauguración formal del LIAF la vamos a realizar el 18 de julio próximo y van a venir varios físicos de renombre mundial, entre ellos, David Wineland, que recibió el Premio Nobel de Física en 2012 justamente por sus contribuciones para el desarrollo de las técnicas que permiten atrapar y enfriar iones”.

Futuro de trampas

Luego del éxito del 7 de febrero el trabajo de las siguientes semanas pasó por calibrar y ajustar el conjunto de los equipos utilizados de manera de refinar cada vez más la experiencia y de lograr que la captura de iones se convierta en algo rutinario. “Al principio atrapábamos de a muchos y no podíamos enfriarlos tanto como queríamos. Hubo que ajustar los potenciales eléctricos, las frecuencias de la trampa, de los láseres, las polarizaciones, el campo magnético, en fin, un montón de variables para poder atrapar y  manipular tres, dos o un único ion y hacerlo de manera sistemática”, explica Schmiegelow.

En el futuro inmediato, este equipo se utilizará para estudiar el comportamiento de iones individuales cuando son iluminados con haces de luz estructurada. “Esto tiene que ver con un línea que empezó con mi estadía en Alemania, que apunta a estudiar una propiedad bastante curiosa  que es que la materia es sensible, no sólo a la frecuencia y a la polarización de la luz, sino también a la forma que tiene un haz de luz que pega sobre un átomo. Queremos terminar de entender ciertos ribetes y propiedades de esta nueva manera que encontramos que tiene la luz de interactuar con la materia”, relata Schmiegelow con entusiasmo.

Por si todo esto fuera poco, la capacidad de trabajo de este laboratorio se va a multiplicar en el mediano plazo a partir de una situación paradójica. El  LIAF obtuvo en 2015 un subsidio importante que sufrió grandes demoras y debido al ajuste presupuestario nunca terminó de ejecutarse. Por lo tanto, algunos de los equipos comprados con estos recursos llegaron al laboratorio recién a fines del año pasado y todavía no pudieron ser instalados por lo que empezarán a ser utilizados en los próximos meses.

“Con estos nuevos equipos vamos a poder hacer las cosas mejor y con más precisión. Los nuevos láseres, por ejemplo, nos van a permitir enfriar mucho más los iones hasta temperaturas muy cercanas al cero absoluto”, detalla Paz.  Y se ilusiona: “El siguiente paso, que es un sueño, es instalar una nueva trampa para tener dos experimentos independientes. Esa trampa la vamos a armar nuevamente con la colaboración de la Universidad de Mainz. Es una trampa de naturaleza diferente porque posibilita tener mucho más control sobre el movimiento de los iones, lo que nos permitiría avanzar en lo que podríamos calificar como procesamiento cuántico de la información. Si bien no va a ser una computadora cuántica, va a ser algo bastante parecido”, describe como si se tratara del argumento de un película de ciencia ficción.

“En el mediano plazo queremos hacer experimentos de termodinámica cuántica que es el estudio de la termodinámica en el nivel de las pocas partículas: estudiar el fenómeno del transporte de calor cuando tenés 5, 6, 20 átomos. También fabricar sistemas que funcionen como motores o heladeras con muy pocas partículas que funcionen en el régimen de la mecánica cuántica. Pero bueno, estamos yendo paso a paso”, se contiene Schmiegelow y precisa: “con los equipos nuevos vamos a tener la tecnología necesaria para hacer experimentos complejos, interesantes y modernos de física atómica, experimentos de física cuántica de la próxima generación. Pero eso nos va a llevar, todavía, un año más de trabajo”.

Habrá que tomar muy en serio este pronóstico. Basta recordar que se trata de la misma persona que en 2017 vaticinó, por este mismo medio, que los días en que los iones podían moverse libremente por Argentina estaban llegando a su fin.

La trampa del presupuesto

El desfinanciamiento que está sufriendo el sistema científico nacional, ¿está afectando el desarrollo de este laboratorio? “Totalmente, hoy yo no me atrevería a tener el mismo sueño”, afirma Paz con preocupación. “Imaginate que en 2010 pedíamos un subsidio equivalente a 80 mil dólares,  en 2014 a 100 mil y hoy podés pedir hasta 10 mil. Es el máximo dinero al que puede aspirar un grupo consolidado internacionalmente con varios investigadores. Eso no te alcanza para nada. El deterioro del presupuesto para ciencia y tecnología a nivel de los subsidios es terrible. No te alcanza ni para ir a un congreso. Y ni que hablar de los salarios. Somos parte del mundo, estamos en carrera, estamos actualizados pero claramente tenemos menos recursos que antes.  Vemos un panorama difícil, pero estamos confiados en que vamos a salir adelante. Tenemos la energía, los contactos, las fuerzas para que el LIAF sea un gran laboratorio”.

Fuente: NEX