Crean por primera vez ondas de materia eternas
Físicos de Ámsterdam construyen un láser atómico que puede permanecer encendido para siempre
UVA/T21
Físicos de la Universidad de Ámsterdam han logrado por primera vez crear ondas de materia continuas en un condensado de Bose-Einstein: permiten que un láser produzca un haz de materia eterna.
Imaginar nuestra vida cotidiana sin láseres es difícil. 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: son láseres atómicos que producen un haz de materia.
Pero, ¿podemos hacer que estas ondas de materia duren, para que puedan usarse en diversas aplicaciones? En una investigación publicada en Nature, un equipo de físicos de Ámsterdam muestra que la respuesta a esta pregunta es afirmativa.
BOSONES SINCRONIZADOS
El concepto que subyace al láser atómico es el llamado Condensado 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 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 enteros 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 en partículas de materia, los físicos llaman a la sustancia resultante condensado de Bose-Einstein.
CUESTIÓN DE TEMPERATURA
En la vida cotidiana, no estamos familiarizados con estos condensados. La razón: es muy difícil lograr 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.
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 atómicos 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.
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.
PARA SIEMPRE
Un equipo de físicos de la Universidad de Amsterdam ha logrado ahora 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 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 pueden usarse para formar ondas de materia coherentes en un BEC. Pero mientras se utilizan estos átomos, ya hay nuevos átomos en camino para reponer el BEC. De esta manera, podemos mantener el proceso en marcha, esencialmente para siempre”.
Habiendo abordado el problema abierto de crear un Condensado Bose-Einstein continuo, los investigadores se han fijado el próximo objetivo: usar el láser para crear un haz de materia de salida estable.
Una vez que sus láseres no solo puedan operar para siempre, sino que también puedan producir haces estables de materia, ya nada se interpondrá en el camino de las aplicaciones técnicas: los láseres de materia pueden comenzar a desempeñar un papel tan importante en la tecnología como lo hacen actualmente los láseres comunes.
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REFERENCIA
Continuous Bose–Einstein condensation. Chun-Chia Chen et al. Nature (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-022-04731-z
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