Gran avance de físicos argentinos: lograron “atrapar” un solo átomo

Christian Schmiegelow, Martín Drechsler y Nicolás Nuñez Barreto, de la UBA, atrapando átomos individuales en el nuevo Laboratorio de Iones y Átomos Fríos de la UBA

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El último 7 de febrero, el físico argentino Christian Schmiegelow estaba con sus estudiantes de doctorado, Martín Drechsler y Nicolás Nuñez Barreto, en un nuevo laboratorio del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, cuando vieron que en la pantalla de su computadora empezaba a crecer una señal de fluorescencia.

“Nos quedamos perplejos -recuerda Schmiegelow, todavía exultante-. Le dije a Martín: ‘Vos sabes lo que es eso’. Hicimos unas pruebas cortas, apagando y prendiendo láseres en distinto orden y vimos que la señal se comportaba como esperábamos. Se me cayó una lágrima en el cuarto oscuro”.

Ese día, Schmiegelow, Drechsler y Nuñez Barreto habían logrado por primera vez “atrapar” un ion individual (es decir, un átomo cargado eléctricamente), una hazaña de la física experimental que solo son capaces de realizar algunas decenas de laboratorios en el mundo. El triunfo marcó el debut del Laboratorio de Iones y Átomos Fríos (LIAF), una instalación única en la región y probablemente la iniciativa más importante que se está realizando en el ámbito de la física en el país.

Fluorescencia que se produce cuando atrapan un átomo ionizado
Fluorescencia que se produce cuando atrapan un átomo ionizado Crédito: Franco Meconi.

“Hasta donde sabemos, este es el primer ion atrapado en América Latina -explica Juan Pablo Paz, que lo soñó y lo fundó con mucho esfuerzo junto con Schmiegelow-. La ‘víctima’ es un átomo de calcio que cayó en una ‘trampa’ ubicada en el interior de una cámara de ultra alto vacío que se encuentra sobre una mesa óptica en una de las salas del LIAF, en el primer piso del Pabellón 1 de la Ciudad Universitaria. La trampa es un dispositivo que genera campos electromagnéticos diseñados para empujar el ion hacia una pequeña región del espacio. La cámara de vacío en la que se ubica tiene varias ventanas que permiten iluminar el interior con láseres y recolectar la luz emitida por el ion. Se utilizan tanto para ionizar los átomos como para obligarlos a emitir luz (fluorescencia) y para enfriarlos”.

“Este es un gran logro para la ciencia argentina -afirmó al enterarse mientras estaba a punto de dejar París Karen Hallberg, investigadora del Conicet, docente del Balseiro y una de las cinco científicas del mundo laureadas la semana última con el premio L’Oréal-Unesco ‘Por las mujeres en la ciencia’-. Para el confinamiento de iones individuales se requiere un dominio muy preciso de la tecnología involucrada, algo que pudo lograrse en el LIAF gracias a la gran experiencia de sus investigadores, obtenida después de varios años de trabajo. Posiciona a nuestro país en la vanguardia de la física cuántica y de la manipulación atómica, y le ofrece la posibilidad de aplicaciones en áreas como la metrología cuántica y el procesamiento de información cuántica, entre otros”.

Jugando en el submundo de la materia

Según cuenta Paz, la muestra de calcio de la que se extraen los átomos es un polvo ubicado en un pequeño horno que se encuentra dentro de una cámara de vacío. Por allí se hace circular una corriente eléctrica para que se desprendan. Para ionizarlos, se utilizan dos láseres: estos hacen que el electrón pegue primero un salto, luego otro y pase a estar libre alejándose indefinidamente del átomo. El primer átomo lo mantuvieron “atrapado” durante más de una hora, pero el equipo del LIAF demostró ser capaz de reemplazarlo por otros, atrapando iones individuales de manera sistemática día tras día y manteniéndolos así todo el tiempo que deseaban.

Trampa de átomos en el nuevo Laboratorio de Iones y Átomos Fríos, de la UBA, una instalación única en Amèrica latina

Trampa de átomos en el nuevo Laboratorio de Iones y Átomos Fríos, de la UBA, una instalación única en Amèrica latina Crédito: Franco Meconi

Claro que instalar todos los equipos y armar el laboratorio no fue sencillo. Llevó más de tres años. Al tiempo que comenzaba la instalación de la infraestructura experimental básica del LIAF, Schmiegelow diseñó y construyó la trampa en Mainz (Alemania), donde Martín Drechsler la puso a punto. De allí fue importada al país junto con varios accesorios (a precio casi simbólico). Llegó en diciembre de 2017 y se la integró con los sistemas láser y electrónicos que se habían desarrollado en paralelo íntegramente en el laboratorio (tareas en las cuales fue fundamental la participación de las y los estudiantes de física de la UBA).

El LIAF se propone estudiar lo que podría denominarse “ciencia y tecnología cuántica”. Para eso es necesario controlar la materia en forma exquisita. El primer paso es atrapar, aislar y enfriar átomos de a uno o de a varios a la vez. El siguiente es utilizarlos para realizar tareas como construir computadoras cuánticas, relojes atómicos, sensores ultra sensibles.

“El primer experimento que ahora se pone en marcha es un estudio que encabeza Christian que podría servir para mejorar la sensibilidad de los mejores relojes atómicos -detalla Paz-. Más adelante, en un segundo experimento que requiere poner en marcha una nueva trampa que está siendo construida en Alemania, vamos a incursionar en el campo del procesamiento cuántico de la información”.

Desarrollado a un costo de 250.000 dólares, ahora los científicos esperan equipamiento por un monto de alrededor de 800.000 dólares que les permitirían mantener una variedad de líneas experimentales.

El equipamiento del LIAF costó hasta ahora 250.000 dólares, pero se requieren 800.000 dólares más para desarrollar diferentes líneas de investigación
El equipamiento del LIAF costó hasta ahora 250.000 dólares, pero se requieren 800.000 dólares más para desarrollar diferentes líneas de investigación Crédito: Franco Meconi

“Es una enorme y hermosa noticia -afirma Alex Fainstein, gerente de Física del Centro Atómico Bariloche, profesor del Instituto Balseiro e investigador del Conicet-. Los países pobres cuando consiguen tener ciencia de impacto suele ser en áreas teóricas. Sin embargo, no existe la física sin la experimentación. Es esencial para recabar nueva información, corroborar los modelos y porque es la base a través de la cual podemos modificar la naturaleza desarrollando la tecnología necesaria para mejorar la calidad de vida en un mundo sustentable. Pero para tener laboratorios y hacer experimentos en la frontera del conocimiento, se requiere financiamiento, continuidad, políticas informadas y sostenidas, y formación de recursos humanos de alto nivel. Esto es lo que han conseguido Christian, Juan Pablo y su equipo”.

El grupo fundador del LIAF se constituyó en junio de 2015. Además de Paz y Schmiegelow, lo integran Augusto Roncaglia y Miguel Larotonda (investigadores del Conicet y profesores del Departamento de Física de Exactas, en la UBA). “Juntos, nos propusimos la aventura de construir desde cero una facilidad experimental única en América Latina, que permitiera capturar iones, enfriarlos y utilizarlos tanto para explorar aspectos fundamentales de la física cuántica, como para desarrollar tecnologías -concluye Paz-. Es una aventura hermosa de la que participo con alegría y orgullo. En el camino que nos trajo hasta aquí, pasamos muchos nervios y verificamos que la Ley de Murphy (que afirma que todo lo que puede salir mal, sale mal) se aplica tanto a las diversas tecnologías involucradas en el laboratorio como a la política científica y económica de nuestro país. Pero también comprobamos que vale la pena soñar y pelear por nuestros sueños sin bajar los brazos”.

Y agrega Fainstein: “Es un día memorable para la física y la ciencia de nuestro país. Ojalá llame la atención de nuestras autoridades para que iniciativas de este tipo, de vanguardia y alta calidad, sean impulsadas y facilitadas como ocurre en el mundo”.

El LIAF será inaugurado formalmente el 18 de julio con la presencia de David Wineland, que recibió el Premio Nobel de Física en 2012 por sus contribuciones al desarrollo de las técnicas que permiten atrapar y enfriar iones. Wineland dictará un curso en esa ocasión, como parte de la XXI Escuela J.J. Giambiagi, que tendrá lugar entre el 15 y el 24 de julio de 2019.