reloj óptico

Un pulso láser incide sobre una película delgada de MoS₂ y, en su interior, hierve una nube de electrones con exceso de energía.

El director alza la batuta y la orquesta no solo produce sonido, sino una partitura compleja: cada nota suena en su momento, con su altura y su volumen. La luz también puede ser una partitura si se controlan su espectro y su tiempo. Antes, esto requería montajes voluminosos que no podían reconfigurarse una vez construidos.

Una orquesta de cien músicos toca sin director. Cada instrumento está afinado a la perfección, pero si un violín se desafina un poco, la armonía se desmorona.

En el teatro, un reflector mantiene al actor en el haz, sin importar hacia dónde se mueva. El radar de terahercios del que hablaremos hace lo mismo con un pulso de luz corto reflejado por un objeto en movimiento. Las ondas terahercio se sitúan entre las microondas y la luz infrarroja.

Los dos estados del átomo de estroncio son como dos gemelos que corren por la misma pista, pero uno va ligeramente más alto que el otro. Normalmente, la luz que se usa para controlar los átomos empuja a un gemelo con más fuerza y al otro con menos. Aquí se eligió una longitud de onda de 813 nanómetros, 'mágica', en la que ambos reciben el mismo empujón.

El mundo cuántico no perdona el olvido. Tira una piedra a un estanque: las ondas se expanden y desaparecen, la información sobre la caída se dispersa sin dejar rastro. En mecánica cuántica es distinto: la evolución del sistema es reversible y el pasado nunca se borra del todo.

El tictac de un reloj atómico se parece al golpe de un metrónomo, solo que en lugar de un péndulo, son las oscilaciones de los electrones en un átomo. Dos de estos relojes, uno con un ion de iterbio y otro con átomos de estroncio, se hicieron sonar juntos y se compararon sus ritmos. Las mediciones duraron casi dos años.

El cronómetro más preciso del mundo todavía funciona mirando de reojo a un viejo péndulo. Los máseres de hidrógeno —los mejores «volantes de inercia» de radiofrecuencia (dispositivos que mantienen el ritmo entre las comparaciones con el patrón)— acumulan error porque el ruido entre cuentas se filtra en la señal final.

La relatividad general, que describe la estructura del universo, no prohíbe los bucles en el tiempo. Pero Stephen Hawking propuso la hipótesis de la 'protección de la cronología': los efectos cuánticos deberían destruir esos bucles, haciendo imposibles los viajes al pasado.

La onda luminosa nunca es perfectamente lisa: la agita continuamente un rizado cuántico. Estos tirones casi invisibles fueron estudiados por el premio Nobel Roy Glauber, quien sentó las bases de la óptica cuántica. Ahora los físicos han aprendido a congelar este rizado.

Los relojes atómicos convencionales se parecen a un diapasón que hay que mantener en silencio y quietud perfectos. El más mínimo movimiento y la nota se desafina. Lo mismo ocurre con los átomos: su movimiento térmico desplaza la frecuencia de la radiación, y los relojes ultraprecisos requieren que las partículas estén casi completamente detenidas.

Un péndulo que oscila por sí solo, sin que nadie le dé cuerda: en el mundo cuántico, estos “péndulos” se llaman cristales de tiempo. En ellos, el movimiento rítmico surge espontáneamente y no se desvanece. Pero hasta ahora, controlar ese ritmo era casi imposible: cualquier intervención amenazaba con destruir el frágil orden.

Un péndulo que oscila casi medio billón de veces por segundo. No es mecánica: es el pulso de la luz atrapado por átomos de iterbio. En lugar de engranajes, aquí trabaja una rejilla láser — una onda estacionaria que mantiene los átomos en sus nodos, como guisantes en una vaina.

Si tiras una piedra a un estanque, se forman ondas que se expanden en todas direcciones. Ahora imagina que el estanque se convierte de repente en gelatina, y lo hace instantáneamente, más rápido de lo que tarda la onda en completar una cresta.

El péndulo oscila con tal precisión que, si hubiera estado contando los segundos desde el Big Bang, hoy se habría desviado solo medio segundo. Esa es la estabilidad del nuevo láser ultravioleta portátil, el corazón de los relojes atómicos de aluminio.

En los sótanos de cuatro institutos europeos había siete dispositivos, cada uno comparable a un diapasón de precisión inimaginable. Solo que en lugar de sonido, emiten un «tictac» de luz: oscilaciones de un láser confinado a una frecuencia específica por átomos de espectroscopía de estroncio, iterbio o mercurio.

En los enormes aceleradores, las partículas atraviesan los detectores en milmillonésimas de segundo, y para distinguirlas entre sí se necesita un cronómetro de increíble precisión. El nuevo detector µRWELL-PICOSEC actúa como tal cronómetro: captura el momento del paso de una partícula con una precisión de 48 picosegundos, es decir, 48 billonésimas de segundo.

La luz puede transportar información más rápido que cualquier electrónica. Pero normalmente, entre el ordenador y el láser se encuentra un convertidor digital-analógico, un dispositivo que convierte los ceros y unos en señales eléctricas. Es precisamente lo que frena todo el proceso. El nuevo transmisor prescinde de este intermediario.

Un reloj atómico es un péndulo que late a la frecuencia de la luz. Dentro de una trampa, un ion de aluminio está suspendido, y un láser lo sondea como un diapasón. Si la frecuencia del láser coincide con la frecuencia propia del átomo, este responde. Esa respuesta es la que se usa para calibrar el reloj.

Un superconductor es un material que, cuando se enfría mucho, conduce la corriente sin pérdidas, como el agua que fluye por una tubería perfectamente lisa. Pero si lo golpeas con un destello corto de luz, pierde esa propiedad rápidamente.

Un rayo de luz que atraviesa una placa transparente normalmente conserva su color. Pero si la placa se compone de capas delgadas alternadas, se convierte en una rejilla que refleja y transmite las ondas de forma selectiva. Esto se usa desde hace tiempo en láseres y filtros ópticos. Ahora, estas rejillas se han hecho vibrar y la luz ha empezado a cambiar de color.

Una partícula diminuta flota en un rayo láser, como una mota de polvo en la luz de una linterna. Las moléculas de agua la empujan constantemente, de forma desordenada y desde todas las direcciones. Normalmente, estos empujones estorban: la partícula se sacude y las mediciones precisas se convierten en una lotería.

Si agitas durante mucho tiempo una caja con arena, aparecen patrones en ella que no estaban cuando la caja estaba quieta. Aquí ocurre algo similar: los físicos tomaron una nube de átomos fríos, los atraparon en una red de luz y comenzaron a agitarla periódicamente. Como resultado, los átomos adquirieron un nuevo estado, como un nuevo patrón en la arena que no existe sin la agitación.

Dos relojes en habitaciones diferentes deben hacer tictac al unísono. Normalmente, para ello se envían pulsos brillantes o pares de fotones que llegan exactamente uno tras otro. Pero la señal puede ser tan débil que los fotones apenas llegan. En este trabajo, los relojes se sincronizaron con luz mil millones de veces más tenue de lo habitual.

Los relojes atómicos comunes hacen tic-tac cuando un electrón salta entre niveles de energía. Pero los campos externos y los golpes pueden alterar ese ritmo. Los iones altamente cargados —átomos a los que se les han arrancado muchos electrones— apenas notan esas perturbaciones: sus electrones están profundos y firmemente sujetos. Por eso son 'péndulos' ultraestables.

Un peine normal separa el cabello en mechones uniformes. Un 'peine' láser hace lo mismo con la luz: no emite un solo color, sino miles de colores, separados por pasos de frecuencia exactamente iguales. Esta herramienta ya ha ayudado a medir el tiempo con precisión de milmillonésimas de segundo y a mirar dentro de los átomos.

Desde que Vera Rubin demostró de manera convincente por primera vez que las galaxias están rodeadas de materia invisible, la búsqueda de la naturaleza de la materia oscura sigue siendo uno de los principales objetivos de la física.

Un rayo láser atraviesa una cubeta de vidrio con vapor de rubidio, y por cómo los átomos absorben la luz se puede conocer su temperatura. Es como medir la velocidad de los coches por el desenfoque de una fotografía: cuanto más rápido se mueven los átomos, más ancha se vuelve la línea de absorción.

Dentro de una diminuta cavidad reflectante, más pequeña que el grosor de un cabello, la luz queda atrapada y se refleja repetidamente en las paredes. Si se coloca allí una sustancia capaz de absorber y emitir luz, las partículas de luz (fotones) comienzan a "vestirse" con las excitaciones de la materia, dando lugar a los modos polaritónicos.

Calienta un reloj de cuarzo común diez grados y empezará a atrasarse segundos por día. Los relojes atómicos son más precisos, pero ocupan un armario entero. Un diamante con un diminuto defecto —la vacancia de nitrógeno— promete la precisión de un reloj atómico en el volumen de un grano de arena.

Dos péndulos en la misma pared, si se balancean desfasados, al cabo de una hora ya marchan al unísono. Esa sincronización la observó ya Christiaan Huygens en 1665, mirando los relojes de su taller. Hoy su observación se repite en el laboratorio, pero con un matiz: los péndulos no son de madera, sino cuánticos.

Una película delgada de dióxido de torio de solo 10 nanómetros de espesor está depositada sobre un disco de acero. El pulso láser incide en ella, pero en lugar del brillo esperado, el detector capta un flujo de electrones.

Una regla hecha de luz: así podría llamarse el nuevo método para medir diminutos retardos temporales. En 1987, Chong Ki Hong, Zhe-Yu Ou y Leonard Mandel notaron que si dos fotones indistinguibles llegan simultáneamente a un divisor de haz, siempre salen juntos por el mismo puerto.