Físicos construyen un láser atómico que arde para siempre

(Noticias de Nanowerk) Es difícil imaginar nuestra vida cotidiana sin láseres. Usamos láseres en impresoras, reproductores de CD, punteros, indicadores, etc. Lo especial de los láseres es que utilizan ondas de luz coherentes: toda la luz en un láser oscila de forma completamente sincrónica.

Por su parte, la mecánica cuántica nos dice que las partículas, al igual que los átomos, también deben ser consideradas como ondas. Como resultado, podemos construir «láseres nucleares» que contienen ondas de materia coherentes. Pero, ¿podemos hacer que estas ondas de materia sean permanentes para que puedan usarse en aplicaciones?

En un estudio publicado en Naturaleza («Condensación continua de Bose-Einstein»), un equipo de físicos de Ámsterdam muestra que la respuesta a esta pregunta es positiva. La parte central del experimento en la que se generan las ondas de materia coherente. Los átomos nuevos (azul) caen y se abren camino hacia el condensado de Bose-Einstein en el centro. En realidad, los átomos no son visibles a simple vista. (Imagen: Universidad de Amsterdam)

Hacer que los bosones marchen sincronizados

El concepto en el que se basa el láser atómico es el llamado condensado de Bose-Einstein, o BEC para abreviar. Hay dos tipos de partículas elementales en la naturaleza: fermiones y bosones. Los fermiones son partículas como los electrones y los quarks, los componentes básicos de la materia de la que estamos hechos.

Los bosones son de una naturaleza completamente diferente: no son duros como los fermiones, sino blandos: pueden, por ejemplo, atravesarse sin problemas. El ejemplo más conocido de bosón es el fotón, la cantidad de luz más pequeña posible. Pero las partículas de materia también pueden combinarse para formar bosones: los átomos enteros pueden comportarse como partículas de luz.

Lo especial de los bosones es que todos pueden estar exactamente en el mismo estado exactamente al mismo tiempo, o para decirlo de manera más técnica: pueden «condensarse» en una onda coherente. Cuando este tipo de condensación ocurre en partículas de materia, los físicos llaman a la sustancia resultante un condensado de Bose-Einstein.

En la vida cotidiana no conocemos estos condensados ​​en absoluto. La razón: es muy difícil conseguir que todos los átomos se comporten como uno solo. La causa raíz de la interrupción de la sincronicidad es la temperatura: a medida que una sustancia se calienta, las partículas individuales comienzan a tambalearse y se vuelve prácticamente imposible lograr que se comporten como una sola. Solo a temperaturas extremadamente bajas, alrededor de una millonésima de grado por encima del cero absoluto (unos 273 grados bajo cero en la escala Celsius), es posible formar las ondas de materia coherentes de un BEC.

arrebatos fugaces

Hace un cuarto de siglo, los primeros condensados ​​de Bose-Einstein se fabricaron en laboratorios de física. Esto abrió la posibilidad de construir láseres atómicos, dispositivos que literalmente emiten haces de materia, pero estos dispositivos solo podían funcionar durante un tiempo muy corto. Los láseres podían producir pulsos de ondas de materia, pero después de enviar ese pulso, se tenía que crear un nuevo BEC antes de poder enviar el siguiente pulso.

Eso no estuvo mal para un primer paso hacia los láseres atómicos. De hecho, antes de que los físicos pudieran fabricar láseres continuos, los láseres ópticos ordinarios también se fabricaban en una variante pulsada. Pero mientras que los desarrollos para los láseres ópticos habían sido muy rápidos, con el primer láser de onda continua producido dentro de los seis meses posteriores a su contraparte pulsada, la versión de onda continua para láseres atómicos siguió siendo esquiva durante más de 25 años.

El problema estaba claro: los BEC son muy frágiles y se destruyen rápidamente cuando la luz cae sobre ellos. Sin embargo, la presencia de la luz es crucial para la formación del condensado: para enfriar una sustancia hasta una millonésima de grado, hay que enfriar sus átomos con luz láser. Como resultado, los BEC se limitaron a ráfagas fugaces sin forma de mantenerlos coherentes.

un regalo de navidad

Un equipo de físicos de la Universidad de Amsterdam ahora ha logrado resolver el difícil problema de crear un condensado continuo de Bose-Einstein.

Florian Schreck, el líder del equipo, explica cuál fue el truco. “En experimentos anteriores, el enfriamiento gradual de los átomos se realizaba en un solo lugar. En nuestra configuración, decidimos distribuir los pasos de enfriamiento no en el tiempo sino en el espacio: hacemos que los átomos se muevan a medida que pasan por sucesivos pasos de enfriamiento. En última instancia, los átomos ultrafríos llegan al corazón del experimento, donde pueden usarse en un BEC para formar ondas de materia coherentes. Pero mientras estos átomos se están agotando, nuevos átomos ya están en camino para reponer el BEC. De esa manera podemos mantener el proceso en marcha, básicamente para siempre”.

Si bien la idea subyacente era relativamente simple, la ejecución ciertamente no lo fue. Chun-Chia Chen, primer autor de la publicación en Nature, recuerda: «Ya en 2012, el equipo, todavía en Innsbruck, descubrió una técnica con la que se podía proteger un BEC de la luz de enfriamiento láser, que por primera vez permitió enfriamiento del láser hasta el estado degenerado, que se requiere para ondas coherentes.

Si bien este fue un primer paso crucial hacia el desafío de larga data de construir un láser atómico de onda continua, también estaba claro que se necesitaría una máquina especializada para avanzar más. Cuando nos mudamos a Amsterdam en 2013, comenzamos con un acto de fe, fondos prestados, un espacio vacío y un equipo financiado en su totalidad por subvenciones personales.

Seis años después, en las primeras horas de la mañana de Navidad de 2019, el experimento finalmente estaba a punto de funcionar. Se nos ocurrió la idea de agregar un rayo láser extra para resolver un último problema técnico e inmediatamente cada imagen que tomamos mostró un BEC, el primer BEC de onda continua”.

Después de abordar el problema abierto durante mucho tiempo de crear un condensado continuo de Bose-Einstein, los investigadores ahora han pasado al siguiente objetivo: usar el láser para crear un haz estable de materia. Si sus láseres no solo funcionan para siempre, sino que también pueden producir haces estables, nada se interpone en el camino de las aplicaciones técnicas, y los láseres de materia podrían desempeñar un papel tan importante en la tecnología como el que tienen actualmente los láseres comunes.