Nuevo récord de estabilidad de un láser en medio atmosférico

Un nuevo enlace óptico para comunicar relojes atómicos distantes se ha demostrado 100 veces más estable que los anteriores y podría permitir nuevas pruebas de precisión de la relatividad general.

Para buscar grietas en la teoría general de la relatividad, los investigadores quieren comparar, con una precisión sin precedentes, el tictac de dos relojes atómicos, uno en la Tierra y otro en el espacio.

Se necesita un enlace láser ultraestable para la comunicación tierra-satélite, y ahora un equipo ha enviado un rayo láser a 2,4 km a través del aire con su frecuencia estable al nivel de 6 partes en 10 elevado a 21 durante un tiempo de medición de 5 minutos. Este resultado representa una mejora de 100 veces con respecto a los esfuerzos anteriores y demuestra una estabilidad 1.000 veces mayor que los mejores relojes atómicos.

La relatividad general no es compatible con la mecánica cuántica, y encontrar violaciones de las predicciones de la relatividad podría señalar el camino hacia una teoría cuántica de la gravedad. De acuerdo con la relatividad general, un reloj que está más arriba en un campo gravitatorio marca más rápido que uno que está más abajo.

En 2018, los investigadores informaron sobre una prueba de esta llamada predicción del desplazamiento al rojo gravitacional utilizando relojes atómicos a bordo de dos satélites con órbitas elípticas. Registraron pequeños cambios de frecuencia atribuibles a los cambios de altitud, lo que proporcionó una prueba de relatividad con una precisión de aproximadamente una parte en 100 000 [2].

Para mayor precisión, a los investigadores les gustaría comparar un reloj en la Tierra con uno en el espacio. “Por supuesto, no se puede conectar un cable de fibra óptica a un satélite”, dice en un comunicado David Gozzard, de la Universidad de Australia Occidental (UWA) y autor principal del nuevo estudio en Physical Review Letters. En cambio, los dos relojes deben estar conectados por un rayo láser transmitido a través de la atmósfera.

Si los investigadores pueden crear un enlace láser lo suficientemente estable para este propósito, dichos enlaces también podrían conectar una red de relojes atómicos en el espacio que podría revelar signos de materia oscura o permitir un mapeo de alta precisión de anomalías en el campo gravitatorio de la Tierra. El principal desafío para esta tecnología es la turbulencia atmosférica: las bolsas de aire que se agitan provocan fluctuaciones en la transmisión del láser. Los relojes atómicos son tan estables que se requiere una transmisión extremadamente limpia para aprovechar al máximo su precisión, dice Gozzard. Demostraciones recientes han reducido la inestabilidad del enlace por debajo del nivel de fluctuaciones en los mejores relojes atómicos, aproximadamente una parte en 1018, al menos para ciertas longitudes de enlace.

En marzo del año pasado, la Colaboración de la Red Óptica del Reloj Atómico de Boulder (BACON) informó que su enlace láser de 1,5 km se mantuvo estable en 5 partes en 10 elevado a la 19 durante un período de minutos. Gozzard y sus colegas ahora han superado esta estabilidad unas 100 veces utilizando un método diferente que involucra un láser continuo en lugar de un láser pulsado.

El equipo de la UWA disparó un rayo láser desde una ventana del quinto piso horizontalmente a lo largo de 1,2 km hasta un reflector, que lo envió de regreso a un receptor cerca de la fuente. La turbulencia experimentada por el haz a lo largo de 2,4 km fue equivalente a la turbulencia esperada tierra-satélite durante cientos de kilómetros, dice Gozzard, porque el aire cerca del suelo es más denso y más turbulento que en la atmósfera superior.

Para reducir las fluctuaciones de intensidad, el equipo usó un espejo en la configuración de salida que podía cambiar constantemente su inclinación para compensar los ligeros cambios en la ubicación del haz de retorno. Para reducir las fluctuaciones en la fase del láser, que afecta la estabilidad de la frecuencia, Gozzard y sus colegas utilizaron técnicas estándar de reducción de ruido, similares a las de la Colaboración BACON.

Los investigadores de la UWA también emplearon estrictos controles de temperatura, ya que ligeras variaciones de temperatura provocan cambios de voltaje en los cables del sistema de medición. En conjunto, la mitigación del ruido redujo las inestabilidades a 6 partes en 10 elevado a 21 para una medición de 5 minutos.

En comparación con los láseres pulsados, los láseres de onda continua envían más información durante un período de tiempo determinado, lo que permite un promedio más rápido de las fluctuaciones y, en última instancia, una mayor estabilidad. Sin embargo, Gozzard reconoce que los enlaces de láser pulsado como el de BACON tienen algunas ventajas, como una capacidad superior para reanudar la transmisión después de una caída de la señal.

“Ambos sistemas superan al mejor reloj atómico actual, por lo que estamos en una discusión bizantina, pero nuestra máxima precisión es mejor”, dice. Gozzard también señala el tamaño más pequeño del sistema UWA, que es mejor para empaquetar en un satélite. Para prepararse para un eventual enlace tierra-espacio, Gozzard y sus colegas planean probar enlaces láser en distancias horizontales más largas; también esperan probar enlaces tierra-aire con avionetas o un globo de gran altura.

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