Newswise — Es difícil imaginar nuestra vida cotidiana sin láser. Usamos láseres en impresoras, reproductores de CD, punteros, dispositivos de medición, etc. Lo que hace que los láseres sean tan especiales es que utilizan ondas de luz coherentes: toda la luz dentro de un láser vibra completamente sincronizada. Mientras tanto, la mecánica cuántica nos dice que las partículas como los átomos también deben considerarse como ondas. Como resultado, podemos construir ‘láseres atómicos’ que contengan ondas coherentes de materia. Pero, ¿podemos hacer que estas ondas de materia duren para que puedan usarse en aplicaciones? En una investigación publicada en Nature esta semana, un equipo de físicos en Amsterdam muestra que la respuesta a esa pregunta es sí.
Haciendo que los bosones marchen sincronizados
El concepto subyacente del láser atómico es el llamadoCondensado de Bose-Einstein, o BEC para abreviar. Las partículas elementales en la naturaleza se presentan en dos tipos: 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 muy diferente: no son duros como los fermiones, sino blandos: por ejemplo, pueden pasar unos junto a otros sin ningún problema. 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; de hecho, los átomos completos pueden comportarse como partículas de luz. Lo que hace que los bosones sean tan especiales es que todos pueden estar exactamente en el mismo estado al mismo tiempo, o expresarse en términos más técnicos: pueden «condensarse» en una onda coherente. Cuando este tipo de condensación ocurre en partículas de materia, los físicos llaman a la sustancia resultante Condensado de Bose-Einstein.
En la vida cotidiana, no estamos familiarizados con estos condensados. La razón: es muy difícil hacer que los átomos se comporten como uno solo. El culpable de destruir la sincronicidad es la temperatura: cuando una sustancia se calienta, las partículas que la componen comienzan a agitarse y se vuelve virtualmente imposible hacer que se comporten como una sola. Sólo a temperaturas extremadamente bajas, alrededor de una millonésima de grado por encima del cero absoluto (alrededor de 273 gradosAbajo decero en la escala Celsius), existe la posibilidad de formar las ondas de materia coherentes de un BEC.
estallidos fugaces
Hace un cuarto de siglo, se crearon los primeros condensados de Bose-Einstein en laboratorios de física. Esto abrió la posibilidad de construir láseres atómicos, dispositivos que literalmente emiten haces de materia, pero estos dispositivos solo pudieron 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. Para ser un primer paso hacia un láser atómico, no estuvo nada mal. De hecho, los láseres ópticos comunes también se fabricaron en una variante pulsada antes de que los físicos pudieran crearcontinuoláseres Pero mientras que los desarrollos para los láseres ópticos fueron muy rápidos, el primer láser continuo se produjo dentro de los seis meses posteriores a su contraparte pulsada, para los láseres atómicos, la versión continua siguió siendo esquiva durante más de 25 años.
Estaba claro cuál era el problema: los BEC son muy frágiles y se destruyen rápidamente cuando la luz brilla sobre ellos. Sin embargo, la presencia de la luz es crucial en la formación del condensado: para enfriar una sustancia hasta una millonésima de grado, es necesario enfriar sus átomos con luz láser. Como resultado, los BEC se restringieron a ráfagas fugaces, sin forma de sostenerlos coherentemente.
un regalo de navidad
Un equipo de físicos de la Universidad de Amsterdam logró resolver el difícil problema de crear un Condensado Bose-Einstein continuo. Florian Schreck, el líder del equipo, explica cuál fue el truco. “En experimentos anteriores, el enfriamiento gradual de los átomos se hacía 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 avanzan a través de pasos de enfriamiento consecutivos. Al final, los átomos ultrafríos llegan al centro del experimento, donde pueden usarse para formar ondas de materia coherentes en un BEC. Pero mientras se utilizan esos átomos, ya hay nuevos átomos en camino para reponer el BEC. De esta manera, podemos mantener el proceso en marcha, esencialmente para siempre”.
Si bien la idea subyacente era relativamente simple, ejecutarla ciertamente no lo fue. Chun-Chia Chen, primer autor de la publicación en Nature, recuerda: “Ya en 2012, el equipo, aún en Innsbruck, realizó una técnica que permitía proteger un BEC de la luz de enfriamiento del láser, lo que permitió por primera vez enfriar a un láser hasta el estado degenerado necesario para ondas coherentes. Si bien este fue un primer paso crítico hacia el desafío de larga data de construir un láser atómico continuo, también quedó claro que se necesitaría una máquina dedicada para llevarlo adelante. Cuando nos mudamos a Amsterdam en 2013, comenzamos con un acto de fe, fondos prestados, una habitación vacía y un equipo financiado en su totalidad por donaciones personales. Seis años después, en las primeras horas de la mañana de Navidad de 2019, el experimento finalmente estuvo a punto de funcionar. Se nos ocurrió la idea de agregar un rayo láser adicional para resolver una última dificultad técnica, e instantáneamente cada imagen que tomamos mostró un BEC, el primer BEC de onda continua”.
Habiendo abordado el problema abierto de larga data de crear un Condensado Bose-Einstein continuo, los investigadores ahora se enfocan en el siguiente objetivo: usar el láser para crear un haz de materia saliente estable. Dado que sus láseres no solo pueden funcionar para siempre, sino que también pueden producir haces estables, nada más se interpone en el camino de las aplicaciones técnicas, y los láseres de materia podrían comenzar a desempeñar un papel tan importante en la tecnología como los láseres comunes en la actualidad.
