Físicos diseñan un láser atómico que puede permanecer encendido para «siempre»

Los láseres de materia pueden empezar a desempeñar un papel tan importante en la tecnología como el que desempeñan actualmente los láseres ordinarios.

Los láseres convencionales producen una onda de luz coherente, lo que significa que toda la luz vibra de forma sincronizada. Por su parte, según la mecánica cuántica, partículas como los átomos también deben considerarse ondas y, por ende, técnicamente, se pueden construir «láseres de átomos» que contengan ondas coherentes de materia. No obstante, el problema ha consistido en hacer que estas ondas de materia perduren, de modo que puedan utilizarse en aplicaciones prácticas.

Ahora, un equipo de físicos de Ámsterdam ha demostrado que esto es posible con cierta manipulación del concepto que subyace al láser atómico, el llamado Condensado de Bose-Einstein, o BEC para abreviar, según un comunicado de prensa. El estudio se publica en Nature.

Condensado de Bose-Einstein

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 naturaleza muy diferente: no son duros como los fermiones, sino blandos: por ejemplo, pueden atravesarse sin 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 expresado en términos más técnicos, pueden «condensarse» en una onda coherente. Cuando este tipo de condensación ocurre para las partículas de materia, los físicos llaman a la sustancia resultante condensado de Bose-Einstein.

Difícil sincronicidad

En la vida cotidiana, no estamos nada familiarizados con estos condensados. La razón: es muy difícil conseguir que todos los átomos se comporten como uno solo. El culpable de destruir la sincronicidad es la temperatura: cuando una sustancia se calienta, las partículas constituyentes comienzan a moverse 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 (alrededor de 273 grados bajo cero en la escala Celsius), existe la posibilidad de formar las ondas de materia coherente de un BEC.

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 estaba nada mal. De hecho, los láseres ópticos ordinarios también se fabricaron en una variante pulsada antes de que los físicos pudieran crear láseres continuos.

Largo camino para los láseres atómicos

Pero mientras que los desarrollos para los láseres ópticos habían ido muy rápido, 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 cae 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 equipo de físicos de la Universidad de Amsterdam ahora ha logrado resolver el difícil problema de crear un Condensado Bose-Einstein continuo.

Florian Schreck, el líder del equipo, explica en un comunicado cuál fue el truco. «En experimentos anteriores, el enfriamiento gradual de los átomos se realizó en un solo lugar. En nuestra configuración, decidimos distribuir los pasos de enfriamiento no a lo largo del tiempo, sino en el espacio: hacemos que los átomos se muevan mientras avanzan a través de pasos de enfriamiento consecutivos. Al final, los átomos ultrafríos llegan al corazón del experimento, donde se pueden usar para formar ondas de materia coherentes en un BEC, pero mientras estos átomos se usan, nuevos átomos ya están en camino para reponer el BEC y podemos mantener el proceso en marcha, esencialmente para siempre».

FEW (Europa Press, Universidad de Ámsterdam, Nature)