Desbloqueando la precisión: medición con un peine de dientes finos (peine de frecuencia óptica)

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

Espectro electromagnético: de ondas de radio a rayos X

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

Años 1970: NIST atascado entre frecuencias microondas y ópticas

En los años 1970, científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) estaban atascados. Querían relojes atómicos más precisos y exactos, basados en las muy altas frecuencias ópticas de luz liberada por átomos cuando sus electrones saltan entre estados de energía, en oposición a 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 la luz viaja en el vacío en una diminuta fracción de segundo. Pero todo eso dependía de poder medir estas frecuencias de luz con precisión y exactitud.

Brecha de medición: electrónica no contaba lo suficientemente rápido

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

El peine de frecuencia: dispositivo Nobel, décadas de investigación

Llega el peine de frecuencia, un dispositivo ganador del Premio Nobel, y resultado de décadas de investigación de NIST y otros. El peine genera mil millones de pulsos de luz por segundo, que rebotan de ida y vuelta dentro de una cavidad óptica. Esto crea millones de picos de frecuencias ópticas que se ven como dientes de colores de arcoíris en un peine (de ahí el nombre). El primer diente en ese peine se establece en una frecuencia conocida, lo que da a los científicos un punto de partida para leer las otras frecuencias. Muy parecido a una regla, si sabes que el primer marcador es un milímetro y cada marcador está a un milímetro de distancia, puedes empezar a medir fácilmente. Similarmente, como saben exactamente qué tan separados 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 de investigación.

Relojes 100x mejores: GPS, gravedad, mundo cuántico, materia oscura

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 estándares de tiempo civiles. Relojes más precisos y exactos son críticos para navegación GPS, que depende de señales de tiempo precisas para determinar tu ubicación. Mejores relojes también tienen ventajas de investigación, desde detectar diminutos cambios en gravedad hasta estudiar fenómenos del mundo cuántico y quizás encontrar materia oscura. Estos relojes eventualmente pueden cambiar cómo definimos un segundo.

Identificación de átomos/moléculas: huella espectral única

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