Átomos a baja temperatura hacen que los campos de microondas sean visibles

Utilizando nubes de átomos ultrafríos, un equipo científico del Instituto Max Planck (Alemania) han conseguido que los campos de microondas sean visibles.

Las micrrondas son una parte de fundamental de las tecnologías de comunicación modernas. Los teléfonos y los portátiles, por ejemplo, están equipados con circuitos de microondas para la comunicación inalámbrica. La utilización de técnicas sofisticadas para medir y representar los campos de microondas son una herramienta esencial para el desarrollo de esos circuitos.

Una nueva técnica desarrollada por un grupo de científicos liderados por Theodor W. hansch y Philipp Treutlein permite obtener de forma directa una imagen de los campos magnéticos de las microondas con una alta resolución espacial. En esta técnica, las nubes de átomos ultrafríos sirven como sensores del campo de las microondas. La técnica está descrita en la portada del último número de Applied Physics Letters.

La comunicación inalámbrica moderna está basada en la transmisión de la información a través de ondas de radio y microondas. Los circuitos de microondas integrados en dispositivos como teléfonos móviles y ordenadores portátiles codifican y procesan esta información. Las simulaciones por ordenador juegan un importante papel en el desarrollo de estos circuitos. Sin embargo, debido al gran número de componentes en los circuitos integrados modernos, estas simulaciones han de basarse en aproximaciones que no siempre son precisas. Por lo tanto, las mediciones han de probar los circuitos y verificar su rendimiento.

Para permitir una comprobación eficiente y una mejora específica de forma ideal, se deberían, medir todos los componentes del campo de microondas de forma directa y con una gran resolución espacial. En las técnicas existentes para medir campos de microondas, la distribución del campo ha de ser escaneada punto a punto, es por ello que la adquisición de datos es lenta. Además, la mayoría de las técnicas sólo permiten una medición de las amplitudes, no así de las fases del campo de microondas. También es un problema que las sondas macroscópicas utilizadas para realizar las mediciones pueden distorsionar el campo y dan una resolución espacial muy mala.

Los científicos del Instituto Max Planxk, el LMU Munich y la Universidad de basilea han probado recientemente una nueva técnica para obtener imágenes de los campos magnéticos de las microondas.  A modo de sensores de campos de microondas, utilizan pequeñas nubes de átomos ultrafríos que han sido enfríados por láser a una temperatura de varios millonésinas de grado sobre el cero Kelvin. A estas temperaturas, los átomos obedecen las leyes de la física cuántica. El estado cuántico es muy sensible a los campos electromagnéticos aplicados externamente, lo que los convierte en sensores ideales. Para realizar la medición, los átomos se colocan en el punto deseado sobre el circuito de microondas con la ayuda de campos magnéticos estáticos para luego encender el campo de microondas.

“El estado interno de los átomos cambia si se aplica un campo de microondas”, explica Pascal Bohi, quien co-desarrolló la técnica como parte de su tesis doctoral. “Podemos tomar una imagen del cambio del estado interno con una cámara CCD de alta resolución espacial. Cuanto más fuerte sea el campo en un punto, más rápido será el cambio observado”. Una característica original del nuevo método es que no necesita que el campo de microondas se detecte punto a punto. En vez de eso, se crea una imagen en dos dimensiones de un componente del campo de microondas con una única toma. Esto incrementa la velocidad de adquisición de datos. Además, la técnica permite no sólo la reconstrucción de las amplitudes, también de las fases de los componentes del campo. Como los átomos son objetos microscópicos, no distorsionan el circuito de microondas, algo que sí pasa con las sondas macroscópicas. El nuevo método funcionar para varias frecuencias del rango de los GHz.

Más información: “Imaging of microwave fields using ultracold atoms”, Applied Physics Letters 97, (2010). doi:10.1063/1.3470591

Este artículo ha sido traducido de Physorg y publicado bajo licencia CC by-sa

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