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Desarrollan láser atómico de brillo sin precedentes

Aleida Rueda
4/mar/2015

El investigador del Instituto de Física, Daniel Sahagún, junto con investigadores de Grecia y Singapur, desarrolló un láser atómico ultra brillante, que ha sido destacado recientemente como uno de los trabajos más importantes del 2014 en el área de física atómica, molecular y óptica por el New Journal of Physics.

Se trata de un láser que mejora por mucho la luminosidad de todos los láseres de su tipo que existen actualmente. Y, de acuerdo con el editor en jefe de la revista, Eberhard Bodenschatz, el artículo ‘An ultra-bright atom laser’ (publicado en marzo de 2014) ha sido elegido “por su novedad, impacto científico y su atractivo para la comunidad”.

Para entender la aportación del grupo de investigadores, es necesario saber que un láser atómico es distinto a uno óptico (como el típico de un apuntador o el de un lector de discos compactos, por ejemplo). Este último emite ondas electromagnéticas, mientras que el láser atómico emite, justamente, átomos.

Los láseres atómicos más fuertes se originan a partir de condensados de Bose-Einstein (BEC). El BEC es un estado de la materia (como el líquido, sólido, gaseoso o plasma) compuesto por una nube atómica que se comporta como si fueran un gran átomo – una “onda de materia”. Esto se logra sólo a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Para crear el láser atómico el primer paso es crear un BEC dentro de una trampa. Esta puede ser visualizada como una copa hecha de campos magnéticos que mantienen a los átomos oscilando (como canicas) en el fondo.

Hasta antes de este trabajo, la técnica común utilizada para hacer láseres atómicos era aplicándole a la trampa pulsos de radiofrecuencia (RF) de campo electromagnético débil.

“La RF (débil) provoca un hoyo en la trampa magnética causando que los átomos que están en ese punto salgan (o caigan), dejen de estar confinados”, explica Sahagún.

“Para nosotros qué tan luminoso es el láser es qué tan alto es el flujo de átomos. Es decir, lo que para los láseres normales es el flujo de fotones, para nosotros es el flujo de átomos”.

Pensando inocentemente, para producir un láser más luminoso, la forma más lógica de lograrlo sería aumentando el tamaño del hoyo lo que incrementaría la intensidad de la radiofrecuencia. Sin embargo, al hacerlo, aparecen dos problemas.

Por un lado, al aumentar el flujo, también se incrementa la interacción de los átomos que salen con los que se quedan en la trampa. Esta interacción tiene un efecto de lente sobre los átomos fríos (ondas de materia) y entonces el láser resulta afocado y difícil de controlar.

Por el otro, si la trampa no es estable en extremo, en vez de uno, se hacen dos hoyos en la trampa. Y esto propicia que salgan dos láseres que, de nuevo, son difíciles de controlar.

Frente a ese reto, el grupo con el cual colabora Sahagún decidió hacer algo completamente distinto: aplicar radiofrecuencia con intensidad alta, de hecho, mucho más alta que la que los otros grupos habían utilizado.

Al aplicarle una radiofrecuencia tan fuerte, se cambia por completo la geometría de la trampa porque se transforman los estados de los átomos (ellos lo describen como ‘estados vestidos’) y, en consecuencia, cambia la forma en que estos ‘ven’ al campo magnético de la trampa. Los átomos, básicamente, ‘ven’ una trampa distinta.


Los cambios en la trampa a partir de la radiofrecuencia alta. Imagen: artículo ‘An ultra-bright atom laser’.

“Dependiendo de nuestro estado de ánimo, los seres humanos podemos ver un vaso medio lleno o medio vacío. Los átomos también tienen estados internos y dependiendo de ellos, pueden ver un campo magnético de una u otra forma”, explica el físico.

De manera que en lugar de ‘ver’ una copa, los átomos ‘ven’ una serie de copas inclinadas. Y dado que necesitan más fuerza para moverse hacia un lado que hacia donde los atrae la fuerza de gravedad, los átomos terminan siendo ‘derramados’ por el borde de la trampa.

“Con este láser, en el que vestimos los estados internos de los átomos, no hay interacciones raras que dificulten el control del láser”, dice Sahagún. Ni siquiera hay hoyos en la trampa. “Los dos únicos limitantes son el número de átomos con el que empezamos y qué tan rápido los derramamos”.

El resultado no es poca cosa: esta forma de salida permite un incremento en el flujo del láser de átomos con un factor de 7 en comparación con los láseres más brillantes conocidos hasta ahora.

Con la nueva técnica los parámetros más importantes de un láser atómico, luminosidad, control de flujo y temperatura, tienen mucho mayor control y alcance. Eso resulta utilísimo para aplicaciones que no se han desarrollado como se esperaba por las limitaciones de las técnicas anteriores.

Se espera que se incrementen ampliamente las posibilidades para la litografía atómica. "Con un láser más controlado, se pueden depositar átomos de formas específicas y crear formas más precisas a nuestro antojo; con un láser más brillante será posible construir interferómetros atómicos con mayor resolución; con un buen control en la temperatura de haces (de onda de materia) atómicos se podrá estudiar mejor la formación de moléculas dentro de la química cuántica, por ejemplo", concluyó el investigador.


Sahagún, armando la prueba experimental.

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Link al artículo original:

An ultra-bright atom laser