Un electrómetro ultrasensible gracias a un estado tipo gato de Schrödinger

Dibujo20160714 Atomic levels sensitive electrometer Rydberg atomSchrodinger-cat state nature18327-f1

Un electrómetro mide campos eléctricos. El objetivo de la metrología cuántica es superar los límites de la clásica. Se usa el efecto Stark, el desdoblamiento de las líneas espectrales de los átomos en presencia de un campo eléctrico. La sensibilidad de un electrómetro depende del momento angular de los átomos que se usen (hasta ahora se había logrado usar J≈5). El nuevo récord de sensibilidad se ha logrado con J≈25 en un solo átomo de Rydberg puesto en un estado tipo gato de Schrödinger: 1,2 mV/cm para un interacción de 100 ns, es decir, 30 μV/cm/√Hz con una tasa de repetición de 3 kHz. Un electrómetro tan sensible tiene múltiples aplicaciones prácticas potenciales.

Un átomo de Rydberg es un átomo con electrones en un nivel energético (número cuántico principal n) muy alto; se usa un átomo de rubidio con n=50 en estados con gran momentos angular, J≈n/2 para m≈n. La diferencia de energía entre estos electrones y el estado fundamental es exactamente la misma para todos ellos. Gracias a ello se pueden poner fácilmente en superposición cuántica (un estado tipo gato de Schrödinger) para lograr maximizar la sensibilidad hasta casi el límite de Heisenberg. Recuerda que lo habitual es que un electrómetro esté formado por N átomos. Ponerlos en superposición cuántica es muy difícil para estados con gran momento angular.

El artículo es Adrien Facon, Eva-Katharina Dietsche, …, Sébastien Gleyzes, “A sensitive electrometer based on a Rydberg atom in a Schrödinger-cat state,” Nature 535: 262–265 (14 Jul 2016), doi: 10.1038/nature18327. Más información en Charles S. Adams, “Metrology: Schrödinger’s cat beats a quantum limit,” Nature 535: 238–239 (14 Jul 2016), doi: 10.1038/535238a.

Dibujo20160714 Schematic of the experiment nature18327-sf1

 

La metrología cuántica de campos eléctricos abre un nuevo capítulo en la electrometría. El esquema experimental desarrollado ocupa varios metros cuadrados y mide los campos eléctricos sólo a ciertas frecuencias de microondas. Pero se trata de una prueba de concepto que en el futuro llevará al desarrollo de electrómetros cuánticos de alta sensibilidad para su uso en astronomía y en la tecnología de radares.

Dibujo20160714 measurement sequence sensitive electrometer Rydberg atomSchrodinger-cat state nature18327-f1

 

Esta figura muestra el proceso de la medida. En concreto, la trayectoria en la esfera de Bloch que sigue el estado tipo gato de Schrödinger |J, J〉 con J≈25 en el átomo de Rydberg con n=50. El efecto Stark divide el nivel energético de número cuántico principal n en n-1 niveles |J, M〉 con J=(n−1)/2=49/2 y M=m−J. Para el electrómetro cuántico el estado más sensible es |J, J〉. Este estado se pone en superposición con el estado circular |R〉 para n=51, que no se desdobla por el efecto Stark (a primer orden). La superposición |J, J〉 + |R〉 se logra usando microondas. La medida se realiza gracias a la transición |J, J〉→|R〉, la llamada medida de Ramsey.

La sensibilidad está limitada por el efecto Stark a segundo orden en el estado |R〉 y la duración del pulso de microondas. También influyen las inhomogeneidades del campo eléctrico (el efecto Stark se observa para un campo eléctrico estático y uniforme). Finalmente, hay otras imperfecciones experimentales que han impedido alcanzar el límite de Heisenberg. Futuros avances permitirán alcanzarlo.

En resumen, un trabajo de metrología cuántica muy interesante y muy prometedor. La medida cuántica de alta sensibilidad de campos magnéticos es bien conocida. El nuevo trabajo pondrá en boga los electrómetros cuánticos.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 14 julio, 2016
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