jueves, 22 de octubre de 2015

NUEVA MANERA DE DEFINIR LA TEMPERATURA OFRECE UNA TÉCNICA DE ESPECTROSCOPÍA



Un tipo especial de espectroscopia láser ha sido utilizado por los investigadores en Australia para medir las velocidades de los átomos en el vapor de cesio. 
La técnica podría permitir a los investigadores inferir tanto la temperatura del vapor como los tiempos de vida y energía en la separación de los estados atómicos. También puede ser usado para medir la constante de Boltzmann, ayudando así a redefinir el kelvin en relación con los procesos físicos universales.

Hoy en día, la temperatura de un objeto tomada en grados  kelvin se define en relación con el punto triple del agua - el punto en el que existen hielo, líquido y vapor en equilibrio. En 2018 el kelvin podría ser redefinido en términos de la temperatura física subyacente, que es "fundamentalmente una medida de la energía de los átomos y las moléculas en un objeto", dice el experto en metrología Michael de Podesta, del Laboratorio Nacional de Física en Teddington del Reino Unido, "Vamos a especificar un valor de la constante de Boltzmann, que es un cierto número de julios por grado. Eso le dirá fundamentalmente que, si un objeto tiene esta cantidad de energía de movimiento, a continuación, su temperatura es esto."

Anchuras de transición
Varios grupos están tratando de medir la constante de Boltzmann en diferentes sistemas. La mejor medida hasta la fecha tiene una incertidumbre de menos de una parte por millón. Fue hecha en  el año 2013 por un equipo dirigido por De Podesta, quien utilizó la velocidad del sonido en el gas argón para deducir la constante.
En la nueva investigación, un equipo de físicos en varias universidades australianas utiliza una técnica diferente llamado termometría de ampliación-Doppler, que depende de la anchura espectral de específicas transiciones atómicas.

Los investigadores se centraron en dos líneas de absorción en el espectro de cesio, que corresponde a la misma transición atómica pero separados por la constante de acoplamiento de los estados excitados. Estas líneas se ampliaron por dos efectos fundamentales: la incertidumbre intrínseca de la energía del estado según lo definido por el principio de incertidumbre de Heisenberg - que conduce a una distribución de Lorentz - y el hecho de que, si un átomo se mueve hacia o desde el láser, se ve un desplazamiento Doppler en la frecuencia del láser. Este último efecto proporciona una variación de Gauss en las frecuencias a las que responde el láser. Cuanto más caliente esté la muestra se convierte, más rápido que las partículas que están en movimiento, por lo que este desplazamiento Doppler se vuelve más importante y los picos se vuelven más amplios. Mediante la medición de la relación entre la anchura del pico y la temperatura, se puede deducir el valor de la constante de Boltzmann.

Desviaciones distintas
Los investigadores utilizaron un gas de átomos de cesio de ultra-baja densidad en una cámara de vacío y se sondearon con un láser de cavidad de microondas estabilizado. Midieron la transmisión a través de la célula y se registran las dos sallidas diferentes en las posiciones de las líneas de absorción. Los libros de texto han modelado previamente el ancho de línea como una simple combinación de distribuciones gaussianas y Lorentz, pero la precisión de las mediciones de los investigadores revelaron desviaciones pequeñas pero significativas de este modelo. Lo más notable, en el nivel de cientos de partes por millón, eran desviaciones causadas por cambios en las estadísticas de la población del gas de cesio por el láser. "Hay una analogía con las trampas de velocidad", explica el miembro del equipo Tom Stace de la Universidad de Queensland. "Estamos midiendo la velocidad de los átomos con una técnica Doppler. Si nos fijamos en el tráfico sólo después de un control de velocidad, los coches van todos un poco más lento de lo que lo hubieran sido." A más, la corrección más pequeña surgió de reflexiones inevitables dentro del láser, a lo que se le ha llamado etalones.

Después de haber corregido para estos efectos, los investigadores extrajeron y separaron el componente gaussiano causado por la temperatura con una precisión sin precedentes, produciendo una estimación de la constante de Boltzmann coherente con otras mediciones que tiene una precisión de seis partes por millón y una incertidumbre de 71 partes por millón. 
Ellos están trabajando para mejorar más a fondo. También midieron la constante de acoplamiento del estado con la incertidumbre más baja jamás registrada. La incertidumbre más grande de las mediciones después de los investigadores había realizado sus correcciones era el ancho de la contribución de Lorentz causada por vida finita del estado. La capacidad de tomar esta medida podría dar lugar a un método más preciso para el cálculo de esta vida. "Podemos encajar [el ancho de toda la vida y la amplitud térmica] y obtener sus valores de forma independiente a partir de una sola medida", dice el miembro del equipo de Andre Luiten.

De Podesta está impresionado, diciendo que el trabajo es importante para la espectroscopia fundamental y porque "es otra medida de la constante utilizando completamente diferente de la física de Boltzmann". "No se ve como la incertidumbre será bastante ser lo suficientemente baja para que la medida sea un contribuyente importante para el valor final, pero se suma a la firmeza de las bases", dice.
La investigación se describe en Nature Communications.
Compilado de IOP Physicsworld -  Autor:Tim Wogan escritor basado en la  ciencia en el Reino Unido

Traducción libre por SOCA