Los sensores de movimiento, cruciales para que los barcos mantengan su posición en alta mar, incluso en condiciones climáticas adversas o en escenarios de guerra donde se bloquean las señales GPS, están experimentando un avance significativo. Tradicionalmente, estos sensores avanzados eran dispositivos de gran tamaño, pero ahora, investigadores han desarrollado un nuevo sistema láser que podría reducirlos al tamaño de una caja de zapatos, haciéndolos potencialmente aptos para la producción en masa.
Los sensores de movimiento en dispositivos portátiles suelen detectar aceleraciones en el rango de milésimas de g. Por otro lado, los acelerómetros más grandes y costosos, utilizados en barcos, aviones y otros vehículos para navegar sin GPS, son del tamaño de un pomelo y tienen sensibilidades del orden de cien micro-g, según explica Ashok Kodigala, científico de investigación en los Laboratorios Nacionales Sandia en Albuquerque, Nuevo México.
Sin embargo, los sensores más precisos disponibles son los interferómetros de átomos fríos, que actualmente tienen sensibilidades en el rango de milmillonésimas de g, con un futuro potencial de alcanzar billonésimas de g, señala Kodigala. Estos interferómetros atómicos son ejemplos de sensores cuánticos, que aprovechan los fenómenos extraños que ocurren a escalas diminutas en el universo. Los sensores cuánticos son extremadamente sensibles y precisos, con posibles aplicaciones como la detección de campos magnéticos asociados con procesos mentales.
Los interferómetros de átomos se basan en un efecto cuántico conocido como superposición, donde un átomo puede existir en dos o más lugares simultáneamente. En estos sensores, los átomos en estados de superposición recorren diferentes trayectorias y luego se vuelven a combinar. Gracias a la dualidad onda-partícula, estos átomos interfieren entre sí, y al analizar la naturaleza de esta interferencia, se puede determinar la diferencia en los movimientos experimentados en sus trayectorias separadas.
Estos interferómetros atómicos podrían permitir la navegación sin GPS, ya que las señales satelitales que habilitan los sistemas globales de navegación no funcionan bajo tierra o bajo el agua y son vulnerables a interferencias, suplantaciones y hasta condiciones meteorológicas adversas. Un sensor de movimiento cuántico podría servir como base para un sistema de navegación inercial que no dependa de señales externas.
Además de la navegación, la precisión y estabilidad de un sensor inercial cuántico también lo haría ideal para mapear la gravedad de la Tierra desde el espacio, lo que ayudaría a estudiar los movimientos de agua, capas de hielo y niveles del mar para análisis climáticos, comenta Kodigala.
No obstante, los interferómetros atómicos suelen ser lo suficientemente grandes como para llenar una habitación pequeña. Incluso las unidades móviles son del tamaño de un mini-refrigerador, según Kodigala. Los sistemas láser en estos interferómetros, responsables de llevar los átomos a estados de superposición, son los componentes más complejos y suelen ser del tamaño de una nevera.
En respuesta a estos desafíos, Kodigala y su equipo han desarrollado un modulador fotónico de silicio, un dispositivo que controla la luz en un interferómetro atómico y que puede integrarse en un microchip. Este avance permitirá miniaturizar un sensor inercial cuántico hasta el tamaño de una caja de zapatos o incluso más pequeño, haciéndolo más manejable para diversas aplicaciones, según Kodigala.
Previamente, el equipo de Kodigala había explorado formas de reducir el tamaño, peso y necesidades energéticas de los interferómetros atómicos, como reemplazar una bomba de vacío grande por una cámara de vacío del tamaño de un aguacate y consolidar varios componentes en una única estructura rígida.
En un nuevo estudio, los investigadores utilizaron cuatro de sus nuevos moduladores en un sistema láser sobre un chip «del tamaño de una moneda de un centavo», según Kodigala. Estos dispositivos modificaron la frecuencia de un solo láser para que desempeñara las funciones de múltiples láseres en un interferómetro atómico. Los moduladores fotónicos suelen crear ecos no deseados llamados bandas laterales que pueden afectar el rendimiento del sensor, pero el nuevo modulador reduce estas bandas en 47.8 decibelios, lo que equivale a una reducción casi cien mil veces en la intensidad de estas bandas.
La miniaturización del sistema láser de un interferómetro atómico también podría ayudar a reducir costos, ya que cientos de moduladores pueden fabricarse en una sola oblea de 8 pulgadas, utilizando el mismo proceso que para casi todos los chips de ordenador, a un costo mucho menor que los componentes voluminosos y costosos de los interferómetros atómicos convencionales.
Aunque los investigadores aún no han medido la sensibilidad directa del nuevo sistema en un interferómetro atómico completo, Kodigala señala que el rendimiento final de este acelerómetro aún no compite con los mejores sensores inerciales cuánticos de laboratorio. Aun así, el equipo continúa progresando en este campo.
