El láser de átomo crea patrones reflectantes similares a la luz

Enfriados hasta casi el cero absoluto, los átomos no solo se mueven en ondas como la luz, sino que también pueden enfocarse en formas llamadas cáusticas, similares a los patrones de reflexión o refracción que produce la luz en el fondo de una piscina o a través de un vaso de agua. . vino de proa.

En experimentos en la Universidad Estatal de Washington, los científicos han desarrollado una técnica para ver estos cáusticos de ondas de materia, colocando obstáculos atractivos o repulsivos en el camino de un láser de átomo frío. Los resultados son cúspides o pliegues curvos, en forma de «V» hacia arriba o hacia abajo, que los investigadores describen en un artículo para Comunicaciones de la naturaleza.

Si bien son una investigación fundamental, estos cáusticos tienen aplicaciones potenciales para dispositivos de medición o temporización de alta precisión, como interferómetros y relojes atómicos.

«Es una hermosa demostración de cómo podemos manipular las ondas de materia de una manera muy similar a cómo manipularíamos luz«dijo Peter Engels, profesor distinguido de WSU Yount y autor principal del artículo». Un átomo se acelera por la gravedad, por lo que podemos imitar efectos que serían muy difíciles de ver con la luz. Además, desde átomos respondiendo a muchas cosas diferentes, potencialmente podemos aprovechar esto para nuevos tipos de sensores que son particularmente buenos para detectar campos magnéticos, gradientes en campos eléctricos o gravedad. «

Para lograr estos efectos, los científicos primero tuvieron que crear uno de los lugares más fríos de la Tierra, lo que pudieron lograr en el laboratorio de Física Cuántica Fundamental en WSU. Engels y sus colegas utilizaron láseres ópticos para extraer energía de un nube atómica atrapada dentro de una cámara de vacío, enfriándola muy cerca del cero absoluto (-273,15 grados Celsius o -459,67 grados Fahrenheit).

Este frío extremo hace que los átomos se comporten de forma mecánica cuántica de formas muy diferentes a las leyes conocidas de la naturaleza. En estas condiciones, en lugar de comportarse como partículas de materia, los átomos se mueven como ondas. Las nubes formadas por estos átomos se conocen como condensados ​​de Bose-Einstein, en honor a los teóricos cuyo trabajo predijo por primera vez este estado de la materia, Albert Einstein y Satyendra Nath Bose.

En el proceso de exploración de estos condensados, los investigadores de WSU crearon un láser de átomo frío, lo que significa que los átomos en forma de onda comenzaron a alinearse en una columna y moverse juntos.

«Un láser de luz es un flujo coherente y colimado de fotones, y básicamente lo estamos haciendo con átomos», dijo Maren Mossman, la primera autora del artículo que trabajó en el proyecto como becaria postdoctoral en WSU y ahora es Clare Boothe Luce. Profesor asistente de Física en la Universidad de San Diego. «Los átomos van juntos y se comportan como un objeto. Así que decidimos ver qué pasaría si pincháramos eso».

Para este estudio, los investigadores «pincharon» el láser del átomo, colocando obstáculos ópticos en su camino, esencialmente iluminando longitudes de onda de luz específicas. láser luces en el flujo acelerado de átomos. Un tipo de obstáculo repelía los átomos y hacía cáusticos en formas dobladas; otro los atraía haciendo cáusticos en formas de cúspides ascendentes.

El sistema también es muy sintonizable, dijeron los investigadores, lo que significa que pueden cambiar la velocidad a la que se aceleran los átomos.

«La cáustica en los láseres atómicos nunca se ha estudiado realmente con esta flexibilidad», dijo Engels.

Además de Engels y Mossman, los coautores incluyen a Michael Forbes, profesor asociado de WSU en el Departamento de Física y Astronomía, y Thomas Bersano, ex becario postdoctoral de WSU ahora en el Laboratorio Nacional de Los Alamos.