Un desafío crítico para los ingenieros es medir distancias con una precisión cada vez mayor. En los últimos años, esto ha sido posible con resolución nanométrica en distancias de unos pocos metros. Eso significa una precisión equivalente a aproximadamente el ancho de una cadena de ADN humano. Aunque es impresionante, a los ingenieros les encantaría tener ese tipo de precisión en distancias mucho más largas.
Ahora Yan-Wei Chen, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Hefei, y sus colegas han encontrado una manera de hacer precisamente eso. Dicen que pueden medir distancias superiores a 100 kilómetros con precisión nanométrica y que su avance tendrá aplicaciones inmediatas en una amplia gama de proyectos de ciencia e ingeniería de vanguardia.
Durante muchos años, las mediciones de distancia más precisas han empleado tecnologías basadas en la luz, como el radar láser o el lidar. Esto mide el tiempo que los fotones están en vuelo para determinar la distancia que recorren. En última instancia, está limitado por la resolución de los dispositivos de cronometraje, pero aún así alcanza precisiones de decenas de micrómetros a lo largo de muchos kilómetros.
Patrones de interferencia
Esto puede parecer impresionante, pero se puede mejorar significativamente combinándolo con la interferometría. Esta técnica refleja un rayo láser en un espejo distante creando un patrón de interferencia que depende de la distancia y de cualquier cambio en la misma.
Aunque es mejor, la precisión de esta técnica está limitada por la periodicidad de las ondas electromagnéticas, lo que introduce ambigüedades inevitables.
Por eso, los físicos reducen esta ambigüedad combinando mediciones de una variedad de longitudes de onda que abarcan todo el espectro electromagnético. La herramienta que utilizan para hacer esto se llama peine de frecuencia óptica, que genera un espectro de frecuencias ópticas espaciadas uniformemente, asemejándose a los dientes de un peine.
Mientras que los dientes del peine tienen frecuencias ópticas específicas, los espacios entre los dientes están determinados por señales de radio de baja frecuencia. De esta manera, los peines de frecuencia óptica abarcan todo el espectro electromagnético, lo que los hace ideales para mejorar la precisión de las mediciones de distancia. De hecho, esta es la tecnología que ha permitido medir distancias con precisión nanométrica en unos pocos metros.
Pero no han sido posibles mediciones a distancias más largas debido a las pérdidas de transmisión y al ruido atmosférico causado por las variaciones en la presión del aire, la temperatura y la humedad. Estos pueden distorsionar las señales luminosas y reducir la precisión de las mediciones.
Ahí es donde Yan-Wei y sus colegas intervinieron con una técnica que supera estos problemas. Los peines de frecuencia óptica convencionales miden la distancia de ida y vuelta de un haz reflejado. Por el contrario, la innovación de Yan-Wei y compañía utiliza dos peines, uno en cada extremo de la distancia en cuestión. Luego, los rayos interfieren en cada extremo del experimento, creando patrones a partir de los cuales se puede inferir la distancia.
vigas opuestas
Aunque los dos peines son idénticos, los patrones de interferencia que crean en cada extremo no lo son, ya que la atmósfera afecta a cada uno de ellos ligeramente diferente porque los rayos viajan en direcciones opuestas. “Al comparar los resultados de dos sistemas de interferencia de peine de frecuencia óptica independientes, podemos capturar eficazmente la deriva atmosférica en tiempo real y mitigar su impacto”, afirman.
El resultado es un sistema con una precisión impresionante. “Al utilizar estas técnicas, hemos demostrado mediciones de distancia absoluta de alta precisión en un recorrido de 113 km con una precisión de 82 nm”, dice el equipo. “Hasta donde sabemos, este estudio representa el primer caso de medición de distancia absoluta tan precisa en un camino que supera los 100 km”.
Esto sugiere inmediatamente una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, las mediciones precisas de distancias son fundamentales para el vuelo en formación de satélites, lo que requiere una separación precisa entre las sondas para permitir observaciones coordinadas. Al mantener líneas de base precisas entre satélites, los investigadores pueden crear grandes aperturas sintéticas para obtener imágenes de alta resolución y observaciones astrofísicas, como la interferometría de línea de base muy larga para radioastronomía.
Varios proyectos en todo el mundo están diseñando exactamente este tipo de sistemas, por lo que este avance tiene una aplicación inmediata. En principio, puede aumentar drásticamente la precisión de la distancia dondequiera que se aplique. ¡Impresionante trabajo!
Ref: 113 km de alcance absoluto con precisión nanométrica: arxiv.org/abs/2412.05542