Un dispositivo cuántico medirá cómo la Tierra arrastra el espacio-tiempo en minutos
Investigadores proponen un sensor de helio superfluido que igualaría la precisión de los satélites, pero con…
Un equipo de investigadores ha propuesto un dispositivo cuántico de sobremesa capaz de medir el efecto de arrastre de marco, la distorsión del espacio-tiempo causada por la rotación de la Tierra, con una precisión comparable a la de los mejores experimentos satelitales.
El estudio, publicado el 17 de septiembre en la revista Physical Review Letters, plantea un sensor basado en un anillo de helio-4 superfluido. Según los autores, este sistema podría igualar la exactitud de las mediciones realizadas por satélites, pero en minutos en lugar de años.
El arrastre de marco es un fenómeno predicho por la teoría de la relatividad general de Einstein. Ocurre cuando un objeto masivo en rotación, como la Tierra, arrastra consigo el tejido del espacio-tiempo, similar a una cuchara girando en miel. Aunque el efecto es más evidente alrededor de objetos supermasivos, como el agujero negro del centro de la Vía Láctea, en la Tierra es extremadamente débil.
En 2011, el satélite Gravity Probe B de la NASA, equipado con cuatro giroscopios, confirmó la predicción de Einstein con un margen de error del 18%. Sin embargo, estas mediciones requirieron años de seguimiento con láser y ajustes para compensar las irregularidades en el campo gravitatorio terrestre.
Anillo de helio superfluido detectará arrastre del espacio-tiempo
El dispositivo propuesto consiste en un bucle de helio-4 superfluido, helio enfriado hasta fluir sin fricción y comportarse como un único objeto cuántico. El anillo incluye una barrera delgada con diminutos orificios, conocida como unión Josephson, que permite el paso del helio superfluido pero no del helio en estado líquido convencional.
Kai-Isaak Ellers, estudiante de posgrado en física de la Universidad de California en Berkeley (UC Berkeley) y primer autor del estudio, explicó el principio detrás del efecto: «Es imposible sincronizar una colección de relojes cuando estás en un marco de referencia en rotación». Este desajuste, causado por el arrastre de marco, se manifestaría en el dispositivo como un cambio en la frecuencia con la que el helio oscila dentro del anillo.
Birgitta Whaley, física cuántica de UC Berkeley y coautora del estudio, detalló el origen del comportamiento cuántico: «Ahí es donde surge el comportamiento cuántico». Según las simulaciones, el dispositivo podría detectar el sutil empuje que la rotación terrestre ejerce sobre el estado cuántico del helio al atravesar la unión Josephson.
Temperaturas de milikelvin eliminan ruido en sensor cuántico
Los dispositivos de helio superfluido han detectado la rotación de la Tierra desde finales de los años 90. Sin embargo, las versiones anteriores que incorporaban una unión Josephson operaban a temperaturas cercanas a 2,17 K (-270,98 °C), donde una fracción residual de helio «normal» mezclado con el superfluido generaba ruido.
El nuevo estudio calcula el comportamiento del dispositivo a temperaturas de milésimas de kelvin por encima del cero absoluto. «Uno de los hallazgos clave del artículo es el resultado de este análisis térmico, que muestra la sensibilidad que podrían alcanzar estos dispositivos a temperaturas de milikelvin», afirmó.
El principal desafío técnico radica en la fabricación de la barrera. Los dispositivos anteriores utilizaban orificios de unos 90 nanómetros de diámetro, pero operar a estas temperaturas ultrabajas requiere orificios de aproximadamente 1 nanómetro, el tamaño de un átomo de helio. Keith Schwab, físico del Instituto Tecnológico de California (Caltech) y coautor del estudio, trabaja en el desarrollo de estos materiales, aunque aún no se han integrado en un sensor funcional.
Whaley describió el hallazgo como fortuito: «Parece un descubrimiento muy afortunado que, a milikelvin, podamos obtener esta alta sensibilidad». La señal correspondería a una diferencia temporal de aproximadamente 10-35 segundos entre el flujo de helio en una dirección y otra alrededor del anillo, el mismo desajuste que experimentarían los relojes en un carrusel giratorio. «Lo interesante es lo pequeño que es», añadió Whaley.
