Átomos-exploradores: la IA ayudará a los físicos a desentrañar los misterios del universo

Átomos-exploradores: la IA ayudará a los físicos a desentrañar los misterios del universo

Una nueva herramienta en la búsqueda de la esquiva materia oscura.

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Científicos de la Universidad Northwestern en Estados Unidos han desarrollado una herramienta ultrasensible capaz de amplificar señales apenas perceptibles hasta 1000 veces. Esta nueva tecnología supera en precisión a los métodos existentes en 50 veces.

El dispositivo, llamado interferómetro atómico, utiliza luz para controlar átomos mientras mide fuerzas diminutas. A diferencia de sus predecesores, corrige automáticamente los errores causados por imperfecciones en los pulsos de luz.

Los investigadores buscan rastrear cómo interactúa la materia oscura con la materia ordinaria, un fenómeno que hasta ahora no ha podido ser detectado incluso con los equipos más precisos. Según ellos, esta innovación permitirá registrar fuerzas extremadamente débiles originadas por la materia oscura, la energía oscura y las ondas gravitacionales en rangos de frecuencia antes inalcanzables.

La materia oscura sigue siendo uno de los mayores enigmas de la física moderna. Solo comprendemos bien la naturaleza del 15% de la materia en el universo, esa parte que llamamos materia ordinaria. El 85% restante es una sustancia desconocida y poco estudiada.

El primer interferómetro atómico se desarrolló en 1991, basado en el fenómeno cuántico de la superposición, donde una partícula puede estar en múltiples estados simultáneamente. En este caso, un átomo se comporta como una onda que se propaga en dos direcciones al mismo tiempo.

Los láseres del interferómetro dividen el átomo en forma de onda en dos trayectorias diferentes y luego las fusionan. Al unirse, las ondas crean un patrón único, similar a una huella dactilar, que muestra las fuerzas que actuaron sobre los átomos durante el proceso.

El líder del estudio, Timothy Kovachy, profesor adjunto de física y astronomía, explica que los interferómetros atómicos son especialmente precisos para medir mínimas fluctuaciones en distancias. Si no se ha encontrado materia oscura hasta ahora, su influencia debe ser extremadamente débil, lo que exige la máxima sensibilidad en los instrumentos.

En mediciones tan delicadas, cualquier imperfección puede distorsionar gravemente el patrón de interferencia. Incluso un solo fotón puede alterar la trayectoria de un átomo en un centímetro por segundo. Perder un átomo puede parecer insignificante, pero al repetir el procedimiento, los errores se acumulan y llevan a la pérdida total de datos tras pocos ciclos.

Para solucionar este problema, el equipo desarrolló un nuevo método para secuenciar los pulsos láser. Esta tecnología se basa en algoritmos de aprendizaje automático que corrigen automáticamente las imprecisiones.

Los científicos lograron reducir los errores causados por las imperfecciones del equipo y aprendieron a controlar con precisión los parámetros de emisión. Tras exitosas simulaciones por computadora, los experimentos de laboratorio confirmaron que se puede amplificar la señal hasta 1000 veces. Kovachy destaca que antes solo podían usarse 10 pulsos láser, pero ahora esa cifra ha aumentado a 500.

Aunque aún no es posible alcanzar una calidad perfecta en pulsos individuales de luz, una secuencia correctamente diseñada permite eliminar todas las deficiencias. Este enfoque desbloquea todo el potencial de la interferometría atómica.

Según los científicos, el método desarrollado tendrá aplicaciones en una amplia variedad de sensores cuánticos donde exista emisión espontánea. El equipo está convencido de que su descubrimiento aumentará significativamente la sensibilidad de los interferómetros en la búsqueda de materia oscura, energía oscura y ondas gravitacionales.

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