PARA ENCONTRAR ALGUNOS de los objetos más fríos del universo, no tienes que ir mucho más allá de tu universidad local. Allí, un físico puede estar usando luz láser e imanes para enfriar átomos por debajo de una sorprendente temperatura de -450 Fahrenheit. Podrían utilizar estos átomos ultrafríos para detectar incluso los campos magnéticos más débiles de la habitación, o para construir un reloj con una precisión de una billonésima de segundo. Pero probablemente no podrían sacar estos sensores o relojes fuera de su laboratorio, ya que tienden a ser grandes y frágiles.

Ahora, un equipo de físicos de la Universidad de Nottingham ha demostrado que la impresión 3D de piezas para estos experimentos cuánticos ultrafríos les permite reducir su aparato a sólo un tercio de su tamaño habitual. Su trabajo, publicado en la revista  Physical Review X Quantum  en agosto, podría abrir la puerta a una forma más rápida y accesible de crear configuraciones más pequeñas, estables y personalizadas para experimentos.

Debido a que obedecen las reglas de la mecánica cuántica, los átomos extremadamente fríos exhiben comportamientos nuevos y útiles. "Los átomos ultrafríos son una tecnología clave que se utiliza en muchos instrumentos de precisión diferentes", dice John Kitching, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología que no participó en el estudio.

“Los átomos ultrafríos son excelentes sensores del tiempo. Son excelentes sensores de lo que llamamos fuerzas de inercia, es decir, aceleración y rotación. Son excelentes sensores de campos magnéticos. Y son excelentes sensores de vacío”, añade su colega Stephen Eckel, que tampoco participó en el trabajo.

En consecuencia, los físicos han buscado durante mucho tiempo utilizar dispositivos atómicos ultrafríos en entornos que van desde  la exploración espacial , donde podrían ayudar en la navegación al detectar cambios en la aceleración de un vehículo, hasta la hidrología, donde podrían identificar el agua subterránea al detectar su atracción gravitacional en la superficie. Sin embargo, el proceso de enfriar los átomos lo suficiente como para realizar cualquiera de estas tareas suele ser complejo y arduo. "Después de haber pasado mucho tiempo como experimentador de átomos fríos, siempre me siento realmente frustrado porque dedicamos todo nuestro tiempo a solucionar problemas técnicos", dice Nathan Cooper, físico de la Universidad de Nottingham y uno de los coautores del estudio.

La clave para enfriar y controlar los átomos es golpearlos con una luz láser finamente sintonizada. Los átomos calientes se mueven a velocidades de cientos de kilómetros por hora, mientras que  los átomos extremadamente fríos  permanecen casi quietos . Los físicos se aseguran de que cada vez que un rayo láser golpea un átomo caliente, la luz lo golpea de tal manera que el átomo pierde algo de energía, se ralentiza y se enfría. Por lo general, trabajan en una mesa de 5 por 8 pies cubierta con un laberinto de espejos y lentes (componentes ópticos) que guían y manipulan la luz mientras viaja hacia millones de átomos, a menudo rubidio o sodio, que se mantienen en un lugar especial. cámara de ultra alto vacío. Para controlar dónde están todos los átomos ultrafríos en esta cámara, los físicos utilizan imanes; sus campos actúan como vallas.

En comparación con los aceleradores de partículas de kilómetros de largo o los grandes telescopios, estas configuraciones experimentales son pequeñas. Sin embargo, son demasiado grandes y frágiles para convertirse en dispositivos comercializables para su uso fuera de los laboratorios académicos. Los físicos suelen pasar meses alineando cada pequeño elemento en sus laberintos ópticos. Incluso una pequeña sacudida de los espejos y lentes (algo que probablemente suceda en el campo) significaría importantes retrasos en el trabajo. "Lo que queríamos intentar hacer es construir algo que sea muy rápido de fabricar y que, con suerte, funcione de manera confiable", dice Cooper. Entonces él y sus colaboradores recurrieron a la impresión 3D.

El experimento del equipo de Nottingham no ocupa una mesa entera: tiene un volumen de 0,15 metros cúbicos, lo que la hace ligeramente más grande que una pila de 10 cajas de pizza grandes. “Es muy, muy pequeño. Redujimos el tamaño en aproximadamente un 70 por ciento, en comparación con una configuración convencional”, dice Somaya Madkhaly, estudiante de posgrado en Nottingham y primera autora del estudio. Para construirlo, ella y sus colegas participaron en algo así como un juego de Lego muy personalizable. En lugar de comprar piezas, ensamblaron su configuración a partir de bloques que imprimieron en 3D para darles la forma exactamente como querían.

Es importante destacar que la configuración miniaturizada funcionó. El equipo cargó 200 millones de átomos de rubidio en su cámara de vacío y pasó luz láser a través de todos los componentes ópticos, haciendo que la luz colisionara con los átomos. Los átomos formaron una muestra a menos de -450 grados Fahrenheit, exactamente como lo han hecho los científicos con el tipo de aparato más convencional durante los últimos 30 años.

“Creo que construir un sistema de átomos fríos como este es un gran paso. Hasta ahora sólo se han impreso en 3D componentes individuales”, afirma Aline Dinkelaker, física del Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam, que no participó en el estudio. Si los experimentos anteriores eran como comprar un kit especial de Lego que permite construir una nave espacial prediseñadas, el enfoque del equipo de Nottingham fue más bien diseñar primero la nave espacial y luego imprimir en 3D los bloques que la componen.

Una gran ventaja de utilizar la impresión 3D es que puedes diseñar cada componente a medida, señala Dinkelaker. “A veces solo tienes un pequeño componente con una forma extraña o un espacio con una forma extraña. En este caso, la impresión 3D puede ser una gran solución”, afirma.

Lucia Hackermuller, otra coautora del artículo, dice que fabricar cada pieza según sus propias especificaciones les permitió optimizar. "Queremos tener el mejor diseño posible y el problema es que normalmente tenemos limitaciones de construcción", dice. "Pero si utilizas métodos de impresión 3D, básicamente puedes imprimir cualquier cosa que se te ocurra". Como parte de este proceso de optimización, el equipo utilizó un algoritmo informático que desarrollaron para encontrar la mejor ubicación para sus imanes. También trabajaron en aproximadamente 10 iteraciones de sus componentes impresos en 3D hasta que los perfeccionaron por completo.

El nuevo estudio es un paso adelante para hacer que esta herramienta para la investigación en física fundamental sea más asequible y accesible. "Espero que esto acelere, y también democratice hasta cierto punto, los experimentos estándar con átomos ultrafríos, haciéndolos más baratos y mucho más rápidos de implementar", dice Cooper. Especula que si estuviera abandonado en una isla desierta con sólo algunas lentes y espejos, átomos de rubidio y una impresora 3D, podría pasar de cero a un dispositivo completamente funcional en aproximadamente un mes, cinco o seis veces más rápido de lo habitual. Para Madkhaly, empezar desde cero puede que no sea sólo un escenario imaginario. Después de graduarse, dice, podría regresar a su país natal, Arabia Saudita, y utilizar la impresión 3D para impulsar nuevas investigaciones sobre átomos ultrafríos. "Este es un campo muy nuevo allí", añade.

Kitching también prevé que estas herramientas se utilicen fuera del ámbito académico, por ejemplo, por empresas que fabrican sensores cuánticos que captan campos magnéticos o gravitacionales. Es posible que estas empresas no empleen científicos capacitados en física cuántica, pero eso no importaría. Se los imagina montando líneas de montaje en las que los técnicos ensamblarían los dispositivos a partir de componentes impresos en 3D. Y si esos dispositivos fueran lo suficientemente estables como para funcionar sin ajustes constantes, los empleados aún podrían usarlos con confianza.

Los dispositivos atómicos ultrafríos comerciales podrían, por ejemplo, ser utilizados por ingenieros civiles, compañías de petróleo y gas, arqueólogos o vulcanólogos para mapear mejor el terreno subterráneo, basándose en la extrema sensibilidad de los átomos a la gravedad. Los átomos ultrafríos también pueden resultar un ingrediente crucial para las herramientas de navegación que funcionan incluso cuando  los satélites GPS  están fuera del alcance. Los relojes atómicos ultrafríos podrían usarse para sincronizar redes de transporte o telecomunicaciones, o para asegurar transacciones financieras en situaciones en las que cada intercambio o comercio requiere una marca de tiempo muy precisa.

Hackermueller y sus colegas también planean seguir optimizando su configuración actual. “Creemos que todavía no hemos explotado plenamente todas las funciones de la impresión 3D. Esto significa que nuestra configuración podría ser incluso más pequeña”, afirma; creen que podrían reducirla a casi la mitad de su tamaño actual. Cooper dice: "Vamos a ver cuáles son los límites de lo que se puede hacer con esto".