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El condensado continuo de Bose-Einstein abre la puerta a los láseres atómicos de onda continua

Marca de tiempo: 18 de junio de 2022 10:15 a.m.

Investigadores de los Países Bajos han producido un condensado continuo de Bose-Einstein (BEC). Reclamado como el primero, el logro se ha buscado durante años y podría conducir a láseres atómicos de onda continua y una comprensión más fundamental de la física de la materia condensada.

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Los BEC se forman cuando un gas de átomos bosónicos se enfría a temperaturas ultrafrías. Una gran fracción de los átomos ocupa el estado fundamental del sistema y el BEC se comporta como un sistema macroscópico descrito por una sola función de onda cuántica. Los BEC se fabricaron por primera vez en 1995 y sus creadores fueron recompensados ​​con el Premio Nobel de Física de 2001.

Los BEC son, estrictamente hablando, láseres atómicos, como el físico cuántico Florian Schreck de la Universidad de Amsterdam explica: “Si toma la palabra láser como amplificación de luz por emisión estimulada de radiación, y traduce todas estas palabras una por una a sus equivalentes atómicos, entonces el proceso de hacer este modo ocupado macroscópicamente es el mismo cosa."

Un rayo láser convencional se produce extrayendo algo de luz de un modo óptico que existe dentro de una cavidad óptica. Para producir un láser de onda continua, se debe bombear energía al modo de cavidad tan rápido como la energía sale a través del rayo láser y otros procesos de pérdida.

Recargando átomos

Uno de los objetivos centrales de la óptica atómica es producir un láser atómico de onda continua, un sistema que emite un haz continuo de átomos coherentes. Para lograr esto, los investigadores tendrían que agregar nuevos átomos a un BEC al menos tan rápido como lo dejaron los átomos en el haz.

Mientras que los fotones esencialmente no interactúan, los átomos ultrafríos forman moléculas rápidamente, lo que suele ser la principal causa de pérdida atómica en un BEC. Por lo tanto, para mantener un BEC de forma continua, los físicos necesitan reponer estos átomos de forma rápida y continua. Hasta ahora, esto solo ha resultado imposible, incluso sin eliminar átomos para formar un rayo láser.

En 2013, Schreck y sus colegas, entonces en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de Austria y en la Universidad de Innsbruck, crearon el primer BEC por enfriamiento láser de átomos en lugar de enfriamiento por evaporación. El enfriamiento por láser es mucho más rápido y no requiere que se pierda la mayor parte de la muestra. Fijaron un láser en una transición atómica de ancho de línea estrecho en estroncio para enfriar una nube de átomos, mientras que un segundo láser aumentó el potencial de captura en el centro de la trampa. Este segundo láser hizo que el centro fuera transparente para el láser y permitió que la energía de estos átomos, que se calentaban a medida que aumentaba su densidad, se difundiera hacia los átomos circundantes.

Proceso de dos etapas

Sin embargo, el enfriamiento por láser de los átomos de estroncio es un proceso de dos etapas: primero, los átomos se enfrían desde la temperatura del horno usando una amplia resonancia azul, luego una segunda resonancia, mucho más estrecha, enfría los átomos de 1 mK a alrededor de 1 μK.

“Desafortunadamente, este truco que usamos para proteger el BEC de los fotones de enfriamiento del láser no funciona para el láser de ancho de línea amplio”, explica Schreck; “Así que primero enfriamos nuestra muestra usando la luz azul, luego la apagamos”. Por lo tanto, este enfoque secuencial solo podría producir un condensado de manera intermitente.

En el nuevo trabajo, Schreck y sus colegas diseñaron una nueva máquina con dos cámaras de vacío separadas. Esto les permitió guiar un haz de átomos a través de ambos y reponer el BEC continuamente.

“En lugar de ejecutar todas estas transiciones de enfriamiento una tras otra en el tiempo como siempre lo hacía la gente, las estás ejecutando una tras otra en el espacio”, explica Schreck. El resultado fue un condensado que se reemplazó más rápido de lo que se descompuso, lo que le permitió persistir indefinidamente.

Gran progreso

Varios grupos han intentado previamente implementar etapas de enfriamiento secuencial utilizando múltiples técnicas para enfriar una variedad de átomos, dice Shreck. “Hicieron un gran progreso, pero no fueron capaces de impulsarlo hasta el final. Ahora la tecnología es más madura, y el estroncio es bueno porque tiene esta transición de enfriamiento de ancho de línea estrecho, lo que nos facilitó las cosas”.

El objetivo principal de los investigadores son los láseres atómicos de onda continua, que podrían encontrar una gran cantidad de usos en la detección de ondas gravitacionales, búsquedas de energía oscura, pruebas del principio de equivalencia y otros. Schreck dice que no está claro con precisión cuánto del haz podría extraerse en la actualidad ya que las simulaciones son imprecisas, pero está "absolutamente seguro de que es más del 20%" y cree que aumentar aún más la ganancia debería resultar relativamente simple.

Sin embargo, más allá de los rayos láser atómicos, los BEC continuos podrían responder preguntas importantes en la física de la materia condensada. "Este es un sistema disipativo impulsado y, en principio, puede tener fases cuánticas novedosas y comportamiento cuántico en sistemas dinámicos donde hay impulso y disipación", dice Schreck, y agrega. “Los teóricos están bastante interesados ​​en esto”.

jun ye de JILA en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. y la Universidad de Colorado está impresionado. “El grupo de Florian Schreck ha estado trabajando en una fuente continua de átomos de estroncio ultrafríos durante varios años”, dice. “Es realmente satisfactorio ver que han logrado un gran avance al combinar esta tecnología con una dispersión continua de átomos térmicos estimulada por Bose en un condensado de estroncio-84 de Bose-Einstein. Esta tecnología, una vez extendida con una capacidad de salida continua, tendrá un gran impacto para los sensores cuánticos que van desde los interferómetros de ondas de materia hasta los relojes”.

La investigación se describe en Naturaleza.

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