Detección gravitacional cuántica y sus aplicaciones en Geofísica

Este es un tema de enorme importancia por sus aplicaciones en geofísica

viernes, 20 de mayo de 2022 · 00:00

Recientemente se publicó el artículo "Quantum sensing for gravity cartography" (B. Stray et al., (2022), Nature, Vol. 602, pp. 590594) reportando un sensor cuántico para mediciones de la gravedad terrestre. Este es un tema de enorme importancia por sus aplicaciones en geofísica, minería, arqueología, acuíferos, mapeo geológico, aplicaciones militares, petroleras y en ingeniería civil, entre otras

Determinar qué hay bajo el subsuelo es un problema nada simple. Varias técnicas usuales están basadas en la medición del campo magnético sobre la superficie de la tierra, en técnicas radiométricas, técnicas sísmicas y en técnicas gravitacionales entre otras. 

Estas técnicas están basadas en la medición de campos eléctricos, campos magnéticos u ondas acústicas en el subsuelo. Cada una de estas técnicas tiene sus ventajas y sus desventajas o problemas. Por razones comerciales las técnicas gravitacionales no eran frecuentemente usadas pues estos sensores son sensibles a las vibraciones, inclinación y a otros factores que limitan su utilidad. Sin embargo, esta situación está a punto de cambiar radicalmente pues los nuevos sensores están basados en tecnología cuántica en átomos fríos y han mostrado un desempeño sin precedentes. Investigadores del Centro de Sensores y Metrología de la Universidad de Birmingham en Gran Bretaña diseñaron un sensor que opera a partir de crear dos nubes de átomos de rubidio ultra-fríos separados por trampas magneto-ópticas y colocadas una sobre la otra separadas una distancia de un metro.

Cada nube se enfría a temperaturas criogénicas de algunos cuantos milikelvin y entonces simultáneamente se liberan los átomos para permitirles una caída libre dentro de una cámara de vacío. Durante la caída de los átomos pulsos láser se disparan hacia las nubes de átomos creados permitiendo, por técnicas interferométricas, y comparando las mediciones de cada nube, una medida local extremadamente precisa de la gravedad. Esta medición está exenta de problemas de ruido y vibración los cuales son totalmente eliminados. El sistema láser utilizado es crítico pues debe de proporcionar radiación monocromática y potencia estable en cada pulso con polarización controlada. 

Todo lo anterior debe de encontrarse en un sistema robusto capaz de ser desplazado independientemente de las condiciones ambientales de temperatura y vibración. Lograr esto es un enorme reto tecnológico que requiere el uso de un láser de erbio con módulos de amplificación así como interruptores acusto-ópticos para producir un tren de pulsos láser. Además la frecuencia de emisión del láser se debe de convertir de 1560 nanómetros a 780 utilizando dispositivos no lineales en cristales de niobato de litio y la señal debe de propagarse a través de fibras ópticas.

Por si fuera poco, se requiere también de un sistema de alto vacío ligero y portátil así como equipo criogénico de nitrógeno líquido. 

Todo este equipo normalmente se encuentra en un laboratorio científico pero transformar esto en un instrumento portable que pueda ser utilizado por geólogos en las más diversas condiciones es todo un reto tecnológico nada sencillo.

Las pruebas de campo realizadas con este equipo han sido todo un éxito por su precisión y detalle en la detección de túneles subterráneos, sin embargo se espera que dispositivos comerciales probablemente estén en el mercado después de unos cinco o diez años.