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22 September 2022

The (Atomic) Clockmaker

How a woman from Colombia overcame obstacles to become a leading theoretical physicist and develop the world’s most accurate atomic clock.

The Rey Family
A young Ana Maria Rey and her parents, Bogotá, Colombia (1993).

In the early 1990s, a student who would become one of the leading theoretical physicists of our time was completing her high school physics homework. Suddenly an explosion shook her family home in Bogotá, Colombia's capital city. Her windows vibrated, and Ana Maria Rey realized a bomb had detonated close to her apartment. The target was a nearby police station. Car bombs were common during the decades of conflict between the Revolutionary Armed Forces of Colombia joined by Colombia’s drug cartels and the Colombian government. Terrorism gripped the city for many years. Some incidents, like the 1985 Palace of Justice siege and the 1993 bombing of the Centro 93 shopping mall, made world headlines. Rey and her school friends grew up terrified to go to shops, movies or restaurants. Everywhere they went, the Rey family had to open the trunk of their car so the police could check for explosives. Despite the looming threat of terrorism, Rey managed to escape the madness, immersing herself in her schoolwork. 

Rey found her calling after a eureka moment in her first physics class. “All the numbers and concepts in my mind came to life.” She realized problems in the real world could be solved with theory. “I felt the beauty of physics. It governs our universe, from the movements of electrons inside an atom to the behavior of black holes. It was a puzzle that could tell us everything about the world, and I loved solving it.” She was captivated. “All I wanted to learn about was physics, no matter what language it came in. My teacher brought me advanced textbooks, which I read in English.” However, to pursue physics she had to overcome the wishes of her family who were set against any career in science.

“You’ll end up becoming a taxi driver,” warned Rey’s parents when she told them she wanted to study for a degree in physics. After investing substantially in her education, her mother and father felt studying abstract theories would give her few prospects for finding a suitable career. "You need to find a 'real' job," Rey's father told her. Her mother was a Senior Associate Dean and a faculty member of the economics department at Universidad del Rosario. Her father was general manager of the Sorteo de Navidad, Colombia's most prestigious national lottery. When he was young, Rey's father wanted to become a mathematician, but his parents persuaded him against it. He was grateful for their advice given his successful career and wanted the same for his daughter. The Reys tried to steer their daughter but remained supportive. "We will pay for you to study for an engineering or law degree and get as many classes as you want, but physics definitely isn't an option for a long-term career,” they told her. Like her father, Rey followed her parents’ advice and chose to take an engineering course. She began to prepare mentally for a practical life — a far cry from the world of theoretical physics she loved. But then, out of the blue, everything changed.

"You need to find a 'real' job," Rey's father told her.

After taking the national matriculation exam to get into university, she got a surprising phone call. Not only had she scored the highest ICFES grade in her school but the second-highest mark in Colombia. She could not believe it. Not long after she applied to the Universidad de los Andes, one of Colombia’s leading private research universities, she was offered an undergraduate fellowship in the faculty of art and science, covering all her tuition fees. Having her own funding meant she was now financially independent. She canceled her engineering application and immediately changed it to physics. She was now set to pursue the life she had dreamed of after her first physics class.

When Rey grew up in Bogotá, Colombia in the 1990s, terrorism gripped the city. Conflict between the Revolutionary Armed Forces of Colombia, the drug cartels and the government raged for many years.

Rey loved studying at the Universidad de Los Andes, but it would always be too small for her long-term ambitions. “We were a tiny unit of seven people, with incredibly small classes and personalized education. It was a wonderful five years, and I met my husband there. But there were no Ph.D. opportunities for my subject in Colombia. To continue with physics, I had to go abroad." She set her sights on America and applied to the University of Maryland at College Park. Given that the school had a good track record with people from Colombia, it was a place she and her husband could both find opportunities. After completing her thesis on understanding how a rotating black hole affects the polarization of light propagating nearby, she graduated Magna Cum Laude from the Universidad de Los Andes with a bachelor’s degree in physics. Shortly after, she gained a two-year research fellowship at the University of Maryland.

Making connections within the community of optical scientists completely transformed her career. When she arrived in Maryland in 2000, her initial trajectory was not what she had envisioned. “I wanted to study something more applied. My main interest was non-linear optics, but my assistantship was in plasma physics. I worked on it for half a year, but, in the end, it wasn’t for me.” Then as part of the introductory physics lecture series, William Phillips, who had won the Nobel Prize for trapping and cooling atoms, gave a talk to the incoming Ph.D. students. Phillips’ specialist subject of Atomic Molecular and Optical (AMO) physics excited Rey. After the lecture, she approached Phillips, and the conversation had a profound influence on her career. "After I heard Bill's speech, I had no doubt that this was what I wanted to do. I went straight to my professor in plasma physics and explained everything. He knew someone at the National Institute for Standards and Technology (NIST) connected with Bill’s and Prof. Charles W. Clark’s groups, and that was it. I made an appointment to talk to them as soon as I could.” 

"I felt the beauty of physics. It governs our universe, from the movements of electrons inside an atom to the behavior of black holes."

She quickly went from being an outsider in a new country to working on equal terms with luminaries in the field. “I went to NIST, where Bill and Professor Charles W. Clark worked. I asked if I could join and do some research, to which they both said ‘yes, come along.’ It was a dream!” Rey began working under Clark, who introduced her to trapping atoms in optical lattices—a device to hold atoms like an egg box made entirely from laser beams. Her work involved models to describe the quantum behavior of atoms frozen near absolute zero, temperatures at which they hardly move, and instead tunnel quantum mechanically when loaded into optical lattice. Her goal was to study how collisions between atoms modify their quantum behavior. 

Rey’s collaborative approach with other scientific communities helped make her Ph.D. theoretical work one of the most advanced and broad at that time, since it covered concepts ranging from Atomic Molecular and Optical Physics to cosmology. While refining her understanding of atoms trapped in optical lattices Rey noticed that the classical methods for studying ultracold atoms, Gross-Pitaevskii (GP) equations, were not entirely accurate. Although they worked for dilute gases in the bulk, the equations were not accurate for the dense conditions reached when atoms are tightly trapped in an optical lattice. She looked to scientific communities that few would typically associate with AMO physics. “I thought it was crucial to be open-minded and reach out to other fields. I became aware that cosmologists have worked on similar topics when modelling the early universe and had already developed more advanced methods to describe the complex quantum dynamics. People in my field didn’t even know about these methods. So I went to see how they could help. I worked on adapting their methods to ultracold atomic gases and developed new tools that refined our understanding of atomic behavior beyond the traditional GP equations. These methods helped guide the first experiments exploring the complex quantum dynamics displayed to interacting atoms in optical lattices.”

Ana Maria Rey
Ana Maria Rey. Credit, John D. and Catherine T. MacArthur Foundation

With a new understanding of atomic collisions, Rey’s theory allowed precise measurements of time that led directly to applications in timekeeping, quantum simulations and the development of the world’s most accurate atomic clock. Used every day where timing around the world needs to be in complete harmony, atomic clocks are essential for our way of life. They determine Universal Time across the internet to keep computers worldwide running in sync and are critically important to calculating GPS positions.  Rey’s goal was to make them even more accurate. “The team at JILA (a joint institute of the University of Colorado Boulder and NIST) were working on atomic clocks and wanted to have lots of atoms to enhance their signals. Introducing many atoms meant they bump into each other more frequently, leading to more collisions. This only made things more confusing. I developed a model to understand collisions and how to suppress and ultimately control them. This control allowed us to measure time even more precisely. It is useful in atomic clocks and has given us a better understanding of quantum mechanics." 

Today, Rey is among the world’s most renowned theoretical physicists. Her hard work, determination and overwhelming love of physics have gained numerous awards and accolades. In 2013, her research into atomic behavior won her one of the United States’ most prestigious honors for intellectual and artistic achievement, the U.S. $625,000 MacArthur Foundation Fellowship. The same year, she won the Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers, the highest honor bestowed by the US government on outstanding scientists and engineers in the early stages of their careers. A year later, she achieved two more accolades: the Early Career National Hispanic Scientist of the Year and the Maria Goeppert-Mayer Award of the American Physical Society, a recognition for outstanding contributions to physics research by a woman. She also became the first Hispanic woman to win the Blavatnik Awards for Young Scientists in 2014.

"I want to guide experiments on building synthetic quantum matter that can produce unprecedentedly accurate atomic sensors capable of unravelling the deepest secrets of our universe."

Looking to the future, Rey remains focused on the quantum world. In her most recent work, done in close collaboration with the JILA optical lattice clock, they have observed the gravitational redshift predicted by Einstein's theory of general relativity within a millimeter-scale sample. Together with the ion trapping group at NIST, the team created a quantum crystal ten times more sensitive than any atomic sensor. This experiment is currently on the edge of a major breakthrough in the hunt for one of the universe's most elusive substances — dark matter. “My goal is to advance the frontiers of material science and learn how to control quantum properties of atomic systems. I want to guide experiments on building synthetic quantum matter that can produce unprecedentedly accurate atomic sensors capable of unravelling the deepest secrets of our universe.”

Ana Maria Rey
Ana Maria Rey, (2013) MacArthur Fellow. Credit: John D. and Catherine T. MacArthur Foundation.

The Optica Community unites a diverse, global population of students, scientists, engineers and professionals. We invite everyone in our community to forge the connections vital to solving societal challenges through light science and technology.


22 septiembre 2022

La Relojera (Atómica)

Cómo una mujer colombiana superó varios obstáculos para convertirse en una física teórica líder y desarrollar el reloj atómico más preciso del mundo.

The Rey Family
Una Ana María Rey muy joven y sus padres, Bogotá, Colombia (1993).

A principios de la década de los 90, una estudiante que más adelante se convertiría en una de las principales físicas teóricas de nuestro tiempo se encontraba completando su tarea de física de bachillerato. De repente, una explosión sacudió su casa familiar en Bogotá, la capital de Colombia. Sus ventanas vibraron y Ana María Rey se dio cuenta de que una bomba había detonado cerca de su apartamento. El objetivo era una estación de policía cercana. Los carros bomba fueron comunes durante las décadas de conflicto armado entre las Fuerzas Armadas Revolucionarias de Colombia, junto a los cárteles de drogas de Colombia y el gobierno colombiano. El terrorismo se apoderó de la ciudad durante muchos años. Algunos incidentes, como la toma del Palacio de Justicia en 1985 y el bombardeo en 1993 al centro comercial Centro 93, fueron titulares a nivel mundial. Rey y sus amigos del colegio crecieron con miedo de ir a almacenes, al cine o a restaurantes. A donde fueran, la familia Rey tenía que abrir el baúl de su carro para que la policía pudiera inspeccionar en busca de explosivos. A pesar de la amenaza inminente del terrorismo, Rey consiguió escapar de esa locura sumergiéndose en su trabajo escolar.

Rey encontró su vocación después de un momento eureka durante su primera clase de física. “Todos los números y conceptos en mi mente cobraron vida”. Se dio cuenta de que los problemas del mundo real podían resolverse con la teoría. "Sentí la belleza de la física. Gobierna nuestro universo, desde los movimientos de electrones dentro de un átomo hasta el comportamiento de los agujeros negros. Era un rompecabezas que nos podía contar todo sobre el mundo, y me fascinaba poder resolverlo". Estaba cautivada. "Todo lo que quería aprender era física, sin importar el idioma en el que estuviera explicado. Mi profesor me trajo libros de texto de física avanzada, que leí en inglés". Sin embargo, para continuar con la física tuvo que confrontar los deseos de su familia, que se preocupaban por el futuro en Colombia de cualquier carrera relacionada con las ciencias.

“Vas a terminar manejando un taxi”, advirtieron los padres de Rey cuando ella les dijo que quería estudiar un título en física. Después de hacer una importante inversión en su educación, su madre y su padre sentían que estudiar teorías abstractas le proporcionaría pocas posibilidades para desarrollar una carrera profesional adecuada. "Necesitas encontrar un trabajo de verdad”, dijo el padre de Rey. Su madre fue Decana asociada y miembro del cuerpo docente de la facultad de economía de la Universidad del Rosario. Su padre fue Director general del Sorteo de Navidad, la lotería nacional más prestigiosa de Colombia. Cuando era pequeño, el padre de Rey quería ser matemático, pero sus padres lo persuadieron. Estaba agradecido por su consejo dado su exitosa carrera y quería lo mismo para su hija. Los Rey intentaron orientar a su hija, pero siguieron apoyándola. “Pagaremos para que estudies una carrera en ingeniería o derecho y obtengas tantas clases como desees, pero la física definitivamente no es una opción para una carrera a largo plazo”, le dijeron. Al igual que su padre, Rey siguió los consejos de sus padres y decidió hacer un curso en ingeniería. Empezó a prepararse mentalmente para una vida práctica, alejada del mundo de la física teórica, que era lo que le encantaba. Pero entonces, de pronto, todo cambió.

"Necesitas encontrar un trabajo de verdad”, dijo el padre de Rey."

Después de realizar el Examen de Ingreso a la educación superior para acceder a la universidad, recibió una sorprendente llamada telefónica. No solo había obtenido la calificación más alta de su colegio en el ICFES, sino también la segunda calificación más alta en Colombia. No podía creerlo. Poco después de aplicar a la Universidad de los Andes, una de las principales universidades privadas de investigación en Colombia, se le ofreció una beca de grado en la facultad de arte y ciencias, que cubría todos sus gastos académicos. Contar con su propia financiación le permitía ser económicamente independiente. Canceló su aplicación a ingeniería y la cambió inmediatamente para ingresar a física. Ahora estaba preparada para perseguir la vida con la que había soñado después de su primera clase de física.

Cuando Rey crecía en Bogotá, Colombia, en la década de 1990, el terrorismo se había instalado en la ciudad. El conflicto entre las Fuerzas Armadas Revolucionarias de Colombia (FARC), los cárteles de la droga y el gobierno causó estragos durante muchos años.

A  Ana María le encantaba estudiar en la Universidad de Los Andes, pero nunca sería el techo para sus ambiciones a largo plazo. "Éramos un grupo diminuto de siete personas, con clases increíblemente reducidas y educación personalizada. Fue un año maravilloso, y ahí conocí a mi marido. Pero no hubo oportunidades de hacer un doctorado para mí en Colombia. Para continuar con la física, tuve que viajar al extranjero". Puso su mirada en Estados Unidos y se postuló en la Universidad de Maryland en College Park. Dado que la universidad tenía un buen historial con personas de Colombia, fue un lugar en el que ella y su esposo pudieron encontrar oportunidades. Después de completar su tesis sobre cómo un agujero negro giratorio afecta a la polarización de la luz que se propaga a sus inmediaciones, se graduó de la Universidad de Los Andes con honores con un título de grado en física. Poco después, obtuvo una beca de investigación de dos años en la Universidad de Maryland.

Establecer contactos dentro de la comunidad de científicos de óptica transformó completamente su carrera. Cuando llegó a Maryland en el año 2000, su trayectoria inicial no fue lo que había imaginado. "Quería estudiar algo más específico. Mi principal interés era la óptica no lineal, pero mi beca fue en física de plasma. Trabajé en ello durante medio año, pero al final no era lo mío". Luego, como parte de la serie introductoria de conferencias de física, William Phillips, quien había ganado el Premio Nobel por capturar y enfriar átomos, dio una charla a los estudiantes que iniciaban el doctorado. El tema del especialista de Física Molecular Atómica y Óptica (AMO) de Phillips inspiró a Rey. Después de la conferencia, se puso en contacto con Phillips y la conversación que tuvo con él causó un profundo impacto en su carrera. "Después de escuchar el discurso de Bill, no tuve ninguna duda de que eso era a lo que me quería dedicar. Fui directamente a hablar con mi profesor de física de plasma y le expliqué todo. Él, conocía a alguien del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) relacionado con los grupos de Bill y el profesor Charles W. Clark, y así se dio todo. Concerté una cita para hablar con ellos lo antes posible".

"Sentí la belleza de la física. Gobierna nuestro universo, desde los movimientos de electrones dentro de un átomo hasta el comportamiento de los agujeros negros. Era un rompecabezas que nos podía contar todo sobre el mundo, y me fascinaba poder resolverlo"

Rápidamente, pasó de ser una extranjera en un nuevo país a trabajar en igualdad de condiciones con las luminarias en su campo. "Fui a NIST, donde trabajaban Bill y el profesor Charles W. Clark. Le pregunté si podía incorporarme y hacer una investigación, a lo que ambos dijeron “sí, claro, bienvenida”. ¡Fue un sueño!" Rey comenzó a trabajar reportando a Clark, quien la introdujo a la captura de átomos en redes ópticas. Una plataforma para sostener átomos como una caja de huevos hecha completamente de rayos láser. Su trabajo incluía modelos para describir el comportamiento cuántico de los átomos congelados cerca del cero absoluto, las temperaturas a las que apenas pueden moverse, y en su lugar, experimentan tunelamiento cuántico en  la red óptica. Su objetivo era estudiar cómo las colisiones entre átomos modifican su comportamiento cuántico.

El enfoque colaborativo de Rey con otras comunidades científicas ayudó a hacer de su doctorado uno de los trabajos teóricos más avanzados y extensos hasta entonces, ya que abarca conceptos que van desde la física molecular y óptica atómica hasta la cosmología. Mientras perfeccionaba su comprensión sobre los átomos capturados en las redes ópticas, Rey notó que los métodos clásicos para estudiar los átomos ultrafríos, las ecuaciones de Gross-Pitaevskii (GP), no eran completamente exactos. Aunque funcionaban para gases diluidos, las ecuaciones no eran exactas para las condiciones densas que se alcanzaban cuando los átomos estaban altamente  confinados en una red óptica. Buscó comunidades científicas que pocos normalmente asociarían con la física de AMO. "Se me ocurrió que era crucial tener una mente abierta y hablar con expertos en  otros campos. Me di cuenta de que los cosmólogos han trabajado en temas similares al modelar el universo temprano y ya había desarrollado métodos más avanzados para describir la compleja dinámica cuántica. La gente en mi campo no conocía estos métodos. Así que fui a ver cómo podían colaborar. Trabajé en la adaptación de sus métodos a los gases atómicos ultrafríos y en el desarrollo de nuevas herramientas que redefinieron nuestra comprensión sobre el comportamiento atómico más allá de las ecuaciones tradicionales de GP. Estos métodos ayudaron como guía para los primeros experimentos que comenzaban a explorar la  compleja dinámica cuántica exhibida  por  átomos interactuantes en las redes ópticas".

Ana Maria Rey
Ana Maria Rey (2013). Credit, John D. and Catherine T. MacArthur Foundation

Con una nueva comprensión de las colisiones atómicas, la teoría de Rey permitió mediciones precisas del tiempo que condujeron directamente a aplicaciones de metrología, simulaciones cuánticas y el desarrollo del reloj atómico más preciso del mundo. Los relojes atómicos usados todos los días, en un momento en el que todo el mundo necesita estar en completa armonía, son esenciales para la vida cotidiana. Determinan el tiempo universal a través de Internet para mantener sincronizados los computadores de todo el mundo y son de vital importancia para calcular las posiciones GPS.  El objetivo de Rey era hacerlos aún más precisos. "El equipo de JILA (un instituto conjunto entre la Universidad de Colorado Boulder y NIST) trabaja en relojes atómicos y desea tener muchos átomos para mejorar la señal obtenida. La introducción de muchos átomos causa que los átomos colisionen entre sí con mayor frecuencia, lo que provoca errores. Yo desarrollé un modelo para comprender las colisiones y entender cómo suprimirlas y finalmente controlarlas. Este control nos permitió medir el tiempo con mayor precisión. Es útil en relojes atómicos y a su vez nos ha dado una mejor comprensión de la mecánica cuántica".

En la actualidad, Ana María es uno de los físicos teóricos más reconocidos del mundo. Su arduo trabajo, determinación y abrumador amor por la física la han hecho merecedora de numerosos premios y galardones. En 2013, su investigación sobre el comportamiento atómico le otorgó uno de los honores más prestigiosos de los Estados Unidos por sus logros intelectuales y artísticos, la beca de $625,000 entregada por la Fundación MacArthur. Ese mismo año, ganó el premio Presidential Early Career Award para Científicos e Ingenieros, el mayor honor otorgado por el gobierno de los Estados Unidos a científicos e ingenieros destacados en las primeras etapas de sus carreras. Un año más tarde, recibió dos premios más: Científico Hispano Nacional de Carrera Temprana del Año y el Premio Maria Goeppert-Mayer entregado por la Sociedad Física Estadounidense, un reconocimiento por las contribuciones destacadas a la investigación física por parte de una mujer. También se convirtió en la primera mujer hispana en ganar los Premios Blavatnik para Jóvenes Científicos en 2019. 

"Mi objetivo es conducir los experimentos sobre la construcción de materia cuántica sintética, capaz de producir sensores atómicos sin precedentes que pueden llegar de desentrañar los secretos más profundos de nuestro universo"

De cara al futuro, Ana María sigue enfocada en el mundo cuántico. En su trabajo más reciente, realizado en estrecha colaboración con el grupo que interroga el reloj atómico del  JILA, han observado el corrimiento al rojo gravitacional previsto por la teoría general de la relatividad de Einstein en una muestra atómica a escala milimétrica. Junto con el grupo de iones atrapados de NIST, el equipo creó un cristal cuántico diez veces más sensible que cualquier sensor atómico a campos eléctricos. Este experimento se encuentra actualmente al borde de un gran avance en la búsqueda de una de las sustancias más esquivas del universo: la materia oscura. "Mi objetivo es sobrepasar los límites de las fronteras de la ciencia de los materiales y aprender a controlar las propiedades cuánticas de los sistemas atómicos. Mi objetivo es guiar a los experimentos en la construcción de materia cuántica sintética, capaz de producir sensores atómicos sin precedentes que pueden llegar a descifrar los secretos más profundos de nuestro universo".

Ana Maria Rey
Ana Maria Rey, (2013) MacArthur Fellow. Credit: John D. and Catherine T. MacArthur Foundation.

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