La foto de un átomo de David Nadlinger explicada por Héctor Socas-Navarro

Dibujo20180214 trapped atom in EPSRC photo by David Nadlinger

Seguro que ya has visto esta foto de un único átomo de estroncio en una trampa de iones del Laboratorio Clarendon de la Universidad de Oxford. Realizada por David Nadlinger, doctorando en dicha universidad, ha ganado la edición de 2018 del concurso británico de fotografía científica organizado por el EPSRC (Engineering and Physical Sciences Research Council). Lo sorprendente es que se tomó el 7 de agosto de 2017 con una cámara Canon 5D Mark II, un objetivo EF 50 mm f/1.8 y un tiempo de exposición de 30 segundos. Casi parece imposible que el punto brillante en el centro de la foto sea un átomo atrapado entre dos electrodos metálicos separados 2,3 mm de distancia.

Nadlinger trabaja en un grupo de investigación sobre computación cuántica con iones atrapados. En este campo se usan iones de estroncio 88Sr+ que se enfrían por efecto Doppler usando un láser azul a 422 nm. Como respuesta el ión emite luz fluorescente a dicha longitud de onda gracias a la transición P1/2 → S1/2. Esta emisión se suele usar para asegurarse de que el ión está bien atrapado, lo que Nadlinger ha aprovechado para realizar su fotografía. Por cierto, para implementar un cúbit con este ión se usa el estado de superposición entre los niveles D5/2 ↔ S1/2 (|1> ↔ |0>), que se fuerza con un láser a 624 nm y tiene una vida de media de 0,35 segundos. En el grupo de Nadlinger también usan iones de 43Ca+, pero no permiten una fotografía tan espectacular (salvo que se use un sensor CCD adecuado).

Más abajo tienes la prometida (en el título) explicación de Héctor Socas-Navarro, @hsocasnavarro, del Instituto de Astrofísica de Canarias, director del podcast Coffee Break: Señal y Ruido, @pcoffeebreak. Ha explicado la foto en un hilo de Twitter, pero como hay lectores de este blog que no son miembros de esta red social, creo interesante copiar aquí su explicación (ver más abajo).

La nota de prensa con el anuncio del ganador del premio es “Single trapped atom captures Science Photography Competition’s top prize,” EPSRC, 12 Feb 2018. Una explicación en inglés de la foto en “Single Trapped Atom Captures Science Photography Competition’s top prize,” NQIT, 12 Feb 2018. Sobre el uso de iones de estroncio atrapados como cúbits recomiendo Dana J. Berkeland, “Quantum Information with Trapped Strontium Ions,” Los Alamos Science 27: 178-183 (2002) [PDF]. Una pieza con la noticia en Scott D’Arcy, “Picture of single atom suspended in electric fields wins top science photography prize,” Independent, 12 Feb 2018.

Una explicación de las trampas de iones del director del grupo de investigación de Oxford en Andrew Steane, “Introduction to Ion Trap Quantum Computing,” ITQC. La página web del grupo y la de David Nadlinger.

Dibujo20180214 Quantum Information with Trapped Strontium Ions Dana J Berkeland Los Alamos Science 2002

Héctor Socas-Navarro nos cuenta: “Este puntito del centro NO ES un átomo. Bueno, sí, sí es un átomo. A ver, es un poco jaleo. Lo explico… En principio no podemos “ver” un átomo porque es más pequeño que la longitud de onda de la luz. Un átomo tiene tamaño del orden del ángstrom, que es más o menos la longitud de onda de rayos X. Entonces ¿qué es la foto?”

“Registran la luz que emite un átomo que tienen ahí suspendido. Es como si coges una luciérnaga de muy lejos y la convences de que se quede revoloteando por una zona. Entonces haces una foto de larga exposición desde lejos y consigues ver la zona por la que ha estado moviéndose. En la foto te acaba apareciendo el manchurrón de por dónde se ha movido la luciérnaga, que a lo mejor tiene 10 metros. ¿Has fotografiado una luciérnaga gigante de 10 metros? NO! Sí es cierto, has fotografiado UNA única luciérnaga pero ese punto NO ES una luciérnaga”.

“En la imagen el punto mide 4 pixeles de diámetro. Según el autor, el espacio en el que está mide 3 mm (150 pixeles en la imagen). Haciendo las cuentas, el átomo debe ser millones de veces más pequeño que ese punto de la foto. Dicho todo lo cual, la imagen es ESPECTACULAR!!!”

Ser o no ser depende “de cómo uno lo quiera mirar. Imagínate que coges una lámpara y te pones a moverte por una zona de mil kilómetros de diámetro mientras yo hago una foto de larga exposición. Sale una mancha de 1000 km de diámetro y digo que eres tú. Pues lo mismo”.

10 comentarios

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Lucas Lucas

Gracias Francis. Muy simple y espectacular. No utilizo twitter así que difícilmente lo hubiera leído.

Albert Albert

Yo, como Lucas y Enrique Moreno leo cada día este blog y no tengo twitter. Ni Facebook ni Instagram ni nada parecido.
¿Soy un bicho raro? ¿Un carca? ¿Un dinosaurio que merece la extinción?
Saludos.

Andaluz Andaluz

Al igual que Lucas no habría visto la explicación en Twitter. Gracias “profesor” (estuve en la ETSI Informática)… intuía la explicación de Héctor Socas pero no es lo mismo que leer una explicación de la imagen clara y concisa. Gracias.

Sergio G.P. Sergio G.P.

Muchas gracias por la explicación de la fotografía. Le quita algo de misterio, pero le añade mucha verdad.

Michael Jackson Michael Jackson

La explicación es creíble, pero no comprendo que algo tan pequeño emita tanto brillo. La luciérnaga podrá dar vueltas de 10 m, sin embargo a una determinada distancia no será visible. Tan alta es la sensibilidad de la cámara?

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

Michael, los CCD de las cámaras son muy sensibles (el ISO de esta cámara es muy alto); habría que hacer los números, pero en una exposición de 30 segundos si se acumulan suficientes fotones en el mismo píxel (gracias a que la cámara está en un buen trípode y el átomo se mueve muy poco en su trampa), no me parece imposible (recuerda que el ISO se implementa como una amplificación de la señal del sensor, luego quizás estamos viendo un artefacto del sistema de amplificación en lugar de una imagen “real”). Aún así, el autor de la foto dice que hizo los cálculos (yo no les he visto) y que las cuentas salen.

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