Tomar medidas con un peine de dientes finos

Para muchas personas, una medida suena mundana, como marcar marcas en una regla o leer la línea en un termómetro. Es un dato. Y tienden a pensar que las medidas mejoradas se ven como marcas cada vez más finas en una regla. Pero hacer nuevas medidas es más que solo hacer marcas más finas en una regla. Medir algo es comprenderlo, desarmarlo y ver cómo funciona. Las nuevas mediciones pueden desbloquear posibilidades en las que incluso los científicos nunca pensaron cuando comenzaron. Quizás no haya mejor ejemplo que el peine de frecuencia óptica. Muy simple, este dispositivo es una regla para la luz. Sin embargo, es mucho más que una regla.

Las ondas de radio, microondas, luz visible, rayos X e infrarrojos forman parte del espectro de frecuencias electromagnéticas. Todas son ondas que viajan a la velocidad de la luz, pero la distancia entre los picos de esas ondas puede ser de kilómetros, como algunas ondas de radio, o de nanómetros, como la luz visible y ultravioleta.

En la década de 1970, los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) estaban estancados. Querían relojes atómicos más precisos y precisos, basados ​​en las muy altas frecuencias ópticas de la luz liberada por los átomos cuando sus electrones saltan entre estados de energía, a diferencia de las frecuencias de microondas más bajas que estaban usando. Mejores relojes les darían una definición más precisa del segundo. Un segundo más preciso les daría una mejor definición del metro, que es la distancia que recorre la luz en el vacío en una pequeña fracción de segundo. Pero todo eso dependía de poder medir estas frecuencias de luz con precisión y precisión.

Había una brecha en la medición entre los dos extremos del espectro electromagnético. Los científicos podían medir con precisión las frecuencias de radio y de microondas, pero no había dispositivos electrónicos que pudieran contar lo suficientemente rápido como para mantenerse al día con las frecuencias ópticas del átomo. Podrían usar un láser con una frecuencia coincidente para leer la frecuencia óptica del átomo. Los científicos tenían láseres con frecuencias exactas conocidas, pero solo podían producir una sola frecuencia o color. Sin conocer la frecuencia exacta del átomo, encontrar el láser de frecuencia correcto para leer el átomo requeriría mucho ensayo y error. Los científicos del NIST intentaron conectar en cadena varios láseres de diferentes frecuencias para hacer una regla óptica rudimentaria. Eso funcionó lo suficientemente bien como para redefinir el medidor, pero no fue una solución a largo plazo.

Ingrese al peine de frecuencia, un dispositivo ganador del Premio Nobel y el resultado de décadas de investigación del NIST y otros. El peine genera mil millones de pulsos de luz por segundo, que rebotan de un lado a otro dentro de una cavidad óptica. Esto crea millones de picos de frecuencias ópticas que parecen dientes con los colores del arcoíris en un peine (de ahí el nombre). El primer diente de ese peine está configurado en una frecuencia conocida, lo que les da a los científicos un punto de partida para leer las otras frecuencias. Al igual que una regla, si sabe que el primer marcador es de un milímetro y cada marcador está separado por un milímetro, puede comenzar a medir fácilmente. Del mismo modo, debido a que saben exactamente cuán separadas están estas frecuencias, los científicos pueden traducir estas señales ópticas a microondas con una fórmula matemática simple, uniendo los dos extremos del espectro electromagnético. Esto abre muchas puertas a la investigación.

Los científicos usaron esta nueva tecnología para hacer mejores relojes, eventualmente desarrollando relojes que son 100 veces mejores que los relojes de cesio usados ​​para los estándares de tiempo civiles. Los relojes más exactos y precisos son fundamentales para la navegación GPS, que se basa en señales de tiempo precisas para determinar su ubicación. Los mejores relojes también tienen ventajas para la investigación, desde detectar pequeños cambios en la gravedad hasta estudiar fenómenos del mundo cuántico y quizás encontrar materia oscura. Estos relojes pueden eventualmente cambiar la forma en que definimos un segundo.

Todos los átomos y moléculas emiten frecuencias únicas de luz cuando saltan entre estados de energía, no solo los átomos que se usan en los relojes. Si una de las frecuencias del peine golpea un átomo o molécula exactamente con la misma frecuencia, los científicos pueden identificar qué tipo de átomo o molécula han golpeado. Usando el peine de frecuencia óptica, los científicos pudieron estudiar la composición de las estrellas con exquisito detalle. Los astrofísicos pueden saber si han encontrado un nuevo planeta midiendo los cambios en las frecuencias de la luz de las estrellas. Usando peines de frecuencia, podemos mejorar los sistemas de rango de luz, que hacen rebotar la luz en los objetos para detectarlos como un radar o un sonar. Pueden ver objetos a través de las llamas, lo que ayuda a los científicos del NIST a estudiar cómo fallan las estructuras durante un incendio. El peine también se usa para detectar incluso las cantidades más pequeñas de gases de efecto invernadero en el aire o buscar enfermedades en el aliento humano.