Los físicos dicen que han construido un láser atómico que puede funcionar ‘para siempre’
Un nuevo avance ha permitido a los físicos crear un haz de átomos que se comporta de manera similar a un láser y, en teoría, puede permanecer encendido «para siempre».
Finalmente podría significar que la tecnología está en camino a la aplicación práctica, aunque todavía se aplican limitaciones significativas.
No obstante, es un gran paso adelante para lo que se conoce como «láser atómico», un rayo compuesto por átomos que caminan como una sola onda que algún día podría usarse para probar constantes físicas fundamentales y tecnología de ingeniería de precisión.
Los láseres atómicos existen desde hace un minuto. El primer láser atómico fue creado por un equipo del MIT físicos en 1996. El concepto parece bastante simple: así como un láser basado en luz tradicional consiste en fotones que se mueven con sus ondas sincronizadas, un láser compuesto por átomos requeriría su propia naturaleza ondulatoria para alinearse antes de mezclarse como un haz.
Sin embargo, como ocurre con muchas cosas en la ciencia, es más fácil conceptualizar que realizar. En la raíz del láser atómico hay un Estado de la materia llamado a Condensado de Bose-Einsteino BEC.
Un BEC se crea enfriando una nube de bosones sólo una fracción por encima del cero absoluto. A temperaturas tan bajas, los átomos caen en su estado de energía más bajo posible sin detenerse por completo.
Cuando alcanzan estas bajas energías, las propiedades cuánticas de las partículas ya no pueden interferir entre sí; se acercan lo suficiente como para superponerse, lo que da como resultado una nube de átomos de alta densidad que se comporta como un «superátomo» u onda de materia.
Sin embargo, los BEC son algo así como una paradoja. Son muy frágiles; incluso la luz puede destruir un BEC. Dado que los átomos de un BEC son enfriado usando láseres ópticosesto suele significar que la existencia de un BEC es efímera.
Los láseres atómicos que los científicos han logrado hasta la fecha han sido pulsados en lugar de continuos; e implican la activación de un solo pulso antes de que sea necesario generar un nuevo BEC.
Para crear un BEC continuo, un equipo de investigadores de la Universidad de Amsterdam en los Países Bajos se dio cuenta de que algo tenía que cambiar.
“En experimentos anteriores, el enfriamiento gradual de los átomos se producía en un solo lugar. En nuestra configuración, decidimos distribuir las etapas de enfriamiento no en el tiempo, sino en el espacio: hacemos que los átomos se muevan mientras avanzan a través de etapas de enfriamiento consecutivas. .» explicó el físico Florian Schreck.
“En última instancia, los átomos ultrafríos llegan al corazón del experimento, donde pueden usarse para formar ondas de materia coherentes en un BEC. Pero mientras se utilizan estos átomos, ya hay nuevos átomos en camino para reponer el BEC. de esta manera podemos continuar el proceso, esencialmente para siempre. »
Este «corazón del experimento» es una trampa que mantiene al BEC protegido de la luz, un depósito que se puede reponer continuamente durante la duración del experimento.
Proteger el BEC de la luz producida por el láser de enfriamiento, aunque simple en teoría, era un poco más difícil en la práctica. No sólo había obstáculos técnicos, sino también obstáculos burocráticos y administrativos.
«Al mudarnos a Ámsterdam en 2013, comenzamos con un acto de fe, fondos prestados, una habitación vacía y un equipo financiado en su totalidad por subvenciones personales». dijo el físico Chun-Chia Chenquien realizó la investigación.
«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 adicional para resolver una última dificultad técnica, y al instante cada imagen que tomamos mostró un BEC, el primer BEC de onda continua».
Ahora que se ha logrado la primera parte del láser de átomo continuo, la parte del «átomo continuo», el siguiente paso, según el equipo, es trabajar para mantener un haz de átomo estable. Podrían lograr esto transfiriendo los átomos a un estado no atrapado, extrayendo así una onda de materia que se propaga.
Debido a que utilizaron átomos de estroncio, una opción popular para los BEC, la perspectiva abre algunas oportunidades interesantes, dijeron. La interferometría atómica que usa BEC de estroncio, por ejemplo, podría usarse para investigar la relatividad y la mecánica cuántica, o detectar ondas gravitacionales.
«Nuestro experimento es el análogo de onda de materia de un láser óptico de onda continua con espejos de cavidad totalmente reflectantes», los investigadores escribieron en su artículo.
«Esta demostración de prueba de principio proporciona una nueva pieza de óptica atómica, hasta ahora perdida, que permite la construcción de dispositivos continuos de onda coherente en la materia».
La investigación ha sido publicada en La naturaleza.
