La mejor manera de encontrar un tesoro enterrado puede ser con un sensor de gravedad cuántica.

En estos dispositivos, los átomos en caída libre revelan variaciones sutiles en la atracción gravitacional de la Tierra en diferentes lugares. Esas variaciones reflejan las diferencias en la densidad del material debajo del sensor, lo que permite que el instrumento mire bajo tierra. En un nuevo experimento, una de estas máquinas descubrió la diminuta firma gravitatoria de un túnel subterráneo , informan los investigadores en Nature el 24 de febrero .

“Instrumentos como este encontrarían muchas, muchas aplicaciones”, dice Nicola Poli, física experimental de la Universidad de Florencia, coautora de un comentario sobre el estudio en la misma edición de Nature .

Poli imagina usar sensores de gravedad cuántica para monitorear el agua subterránea o el magma debajo de los volcanes, o para ayudar a los arqueólogos a descubrir tumbas ocultas u otros artefactos sin tener que desenterrarlos ( SN: 2/11/17 ). Estos dispositivos también podrían ayudar a los agricultores a verificar la calidad del suelo o ayudar a los ingenieros a inspeccionar posibles sitios de construcción en busca de suelos inestables.

“Hay muchas herramientas para medir la gravedad”, dice Xuejian Wu, físico atómico de la Universidad de Rutgers en Newark, Nueva Jersey, que no participó en el estudio. Algunos dispositivos miden cuánto tira la gravedad hacia abajo de una masa que cuelga de un resorte. Otras herramientas usan láseres para medir la velocidad con la que un objeto cae por una cámara de vacío. Pero los átomos en caída libre, como los de los sensores de gravedad cuántica, son las masas de prueba más prístinas y confiables que existen, dice Wu. Como resultado, los sensores cuánticos prometen ser más precisos y estables a largo plazo que otras sondas de gravedad.

Dentro de un sensor de gravedad cuántica, una nube de átomos sobreenfriados se deja caer por un conducto. Luego, un pulso de luz divide cada uno de los átomos que caen en un estado de superposición: un limbo cuántico donde cada átomo existe en dos lugares a la vez ( SN: 7/11/19 ). Debido a sus posiciones ligeramente diferentes en el campo gravitatorio de la Tierra, las dos versiones de cada átomo sienten un tirón hacia abajo diferente a medida que caen. Otro pulso de luz luego recombina los átomos divididos.

Gracias a la dualidad onda-partícula de los átomos, una regla extraña de la física cuántica que dice que los átomos pueden actuar como ondas, los átomos reunidos interfieren entre sí ( SN: 13/1/22 ). Es decir, a medida que las ondas atómicas se superponen, sus crestas y valles pueden reforzarse o anularse entre sí, creando un patrón de interferencia. Ese patrón refleja los tirones hacia abajo ligeramente diferentes que las versiones divididas de cada átomo sintieron mientras caían, revelando el campo de gravedad en la ubicación de la nube de átomos.

Las mediciones extremadamente precisas realizadas por tales dispositivos basados ​​​​en átomos han ayudado a probar la teoría de la gravedad de Einstein ( SN: 28/10/20 ) y medir constantes fundamentales , como la constante gravitatoria de Newton ( SN: 4/12/18 ). Pero los sensores de gravedad basados ​​en átomos son muy sensibles a las vibraciones de la actividad sísmica, el tráfico y otras fuentes.

"Incluso las vibraciones muy, muy pequeñas crean suficiente ruido que hay que medir durante mucho tiempo" en cualquier lugar para eliminar los temblores de fondo, dice Michael Holynski, físico de la Universidad de Birmingham en Inglaterra. Eso ha hecho que la detección cuántica de la gravedad no sea práctica para muchos usos fuera del laboratorio.  

El equipo de Holynski resolvió ese problema construyendo un sensor de gravedad con no una, sino dos nubes de átomos de rubidio que caían. Con una nube suspendida un metro por encima de la otra, el instrumento podía medir la fuerza de la gravedad a dos alturas diferentes en un solo lugar. La comparación de esas medidas permitió a los investigadores cancelar los efectos del ruido de fondo.

Holynski y sus colegas probaron si su sensor, un conducto de 2 metros de altura sobre ruedas atado a un carro rodante de equipo, podía detectar un pasaje subterráneo en el campus de la Universidad de Birmingham. El túnel de hormigón de 2 por 2 metros se encontraba debajo de una carretera entre dos edificios de varias plantas. El sensor cuántico midió el campo gravitatorio local cada 0,5 metros a lo largo de una línea de 8,5 metros que cruzaba el túnel. Esas lecturas coincidieron con las predicciones de una simulación por computadora, que había estimado la señal gravitatoria del túnel en función de su estructura y otros factores que podrían influir en el campo gravitatorio local, como los edificios cercanos.

Según la sensibilidad de la máquina en este experimento, probablemente podría proporcionar una medición confiable de la gravedad en cada ubicación en menos de dos minutos, estiman los investigadores. Eso es aproximadamente una décima parte del tiempo necesario para otros tipos de sensores de gravedad.

Desde entonces, el equipo ha construido una versión reducida del sensor de gravedad utilizado en el experimento de detección de túneles. La nueva máquina pesa alrededor de 15 kilogramos, en comparación con la bestia de 300 kilogramos utilizada para la prueba del túnel. Otras actualizaciones también podrían aumentar la velocidad del sensor de gravedad.

En el futuro, la ingeniera Nicole Metje prevé construir un sensor de gravedad cuántica que pueda ser empujado de un lugar a otro como una cortadora de césped. Pero la portabilidad no es el único desafío para hacer que estas herramientas sean más fáciles de usar, dice Metje, coautor del estudio que también trabaja en la Universidad de Birmingham. “Por el momento, todavía necesitamos a alguien con un título en física para operar el sensor”.

Así que los vagabundos esperanzados pueden estar esperando mucho tiempo para cambiar sus detectores de metales por sensores de gravedad cuántica.

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CITAS

B. Stray et al . Detección cuántica para cartografía gravitacional. naturaleza _ vol. 602, 24 de febrero de 2022, pág. 590. doi: 10.1038/s41586-021-04315-3.

N. Poli, R. Pašteka y P. Zahorec. Los cambios atómicos pueden mapear estructuras subterráneas . naturaleza _ vol. 602, 24 de febrero de 2022, pág. 579. doi: 10.1038/d41586-022-00464-1.

Sobre María Temming

Anteriormente redactora del personal de ciencias físicas en Science News , Maria Temming es editora asistente en Science News for Students . Tiene una licenciatura en física e inglés y una maestría en escritura científica.