Primer Láser Análogo de Onda de Materia Continua Generado a Partir de la Técnica de Condensación de Bose-Einstein Regenerativa

Por: William Brown, Biofísico de Resonance Science Foundation

Los láseres son una tecnología muy conocida que ha encontrado innumerables aplicaciones en todos los aspectos de nuestra vida, desde los sensores utilizados en los hogares y las tiendas, hasta las sondas de física avanzada como LIGO, que detectó las primeras ondas gravitacionales, y, por supuesto, las tecnologías de la información relacionadas con el almacenamiento y la recuperación de la memoria y la transmisión de datos, por nombrar sólo algunos ejemplos. Láser es un acrónimo de amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación, una técnica que utiliza la naturaleza ondulatoria de la luz, en la que los paquetes de ondas de fotones que tienen la misma longitud de onda y la misma fase (coincidencia de cresta a cresta y de valle a valle, lo que se denomina interferencia constructiva) pueden combinarse y amplificar la magnitud o la fuerza de la luz. La radiación electromagnética se encuentra en un estado coherente, y esto es posible también porque los fotones obedecen a lo que se conoce como estadística de Bose, una propiedad mecánica cuántica de la materia que permite que las partículas de Bose (bosones) -como el fotón- ocupen el mismo estado cuántico, algo que no es posible con las partículas de Fermi (fermiones) debido a la exclusión de Pauli.

La clasificación de una partícula como Bose o Fermi depende de su espín, por lo que la propiedad no es exclusiva de la luz, sino que se extiende también a lo que consideramos más comúnmente como partículas elementales de la materia. Así, la naturaleza ondulatoria de la materia puede utilizarse de forma muy similar a la naturaleza ondulatoria de la luz, y las ondas de materia de las partículas de Bose pueden combinarse para formar un único estado de onda, un estado de materia conocido como condensado de Bose-Einstein (BEC). Esto significa que podemos llevar a cabo la amplificación de las ondas de materia mediante la emisión estimulada de un BEC, al igual que un láser pero con partículas elementales de materia en lugar de luz, y podemos utilizar las ondas de materia coherentes resultantes como sondas y sensores.

Aunque el concepto de un BEC se propuso en 1924-1925 [1,2], no se hizo realidad hasta 1995 [3], después de que se inventaran dos tipos de refrigeración (láser y evaporativa). Desde entonces, las ondas de materia pulsadas asociadas a los BEC se han utilizado ampliamente en la interferometría de átomos. Los interferómetros de átomos utilizan rayos láser para dividir las ondas de materia y luego recombinarlas para producir patrones de interferencia. Estos patrones son sensibles a las vibraciones, a los cambios de temperatura y a otras perturbaciones que pueden proporcionarnos conocimientos reveladores sobre la naturaleza de las interacciones de la materia y las fuerzas fundamentales. Ya hemos informado anteriormente sobre los interferómetros de átomos utilizados para las pruebas cuánticas del principio de equivalencia de Einstein y de la gravedad [4].

_{Producción y aplicación de un condensado de Bose-Einstein. (A) En la física cuántica, la materia puede comportarse como una onda que tiene una determinada longitud de onda. Para una nube de átomos calientes, estas longitudes de onda son tan cortas que cada átomo puede considerarse un objeto individual. Si los átomos se enfrían, las longitudes de onda se alargan. Y si los átomos se enfrían hasta una temperatura crítica, las longitudes de onda son lo suficientemente grandes como para cubrir la extensión de la nube atómica. La mayoría de los átomos se condensan en un estado conocido como condensado de Bose-Einstein (BEC), en el que pueden considerarse como una única onda de materia (rojo)... (B) Los BEC pueden utilizarse en sensores conocidos como interferómetros de átomos, en los que los rayos láser hacen que una onda de materia se divida en dos y luego se recombine para generar un patrón de interferencia que es sensible a las perturbaciones externas. Imagen y descripción de la imagen de [5] L. Liu, “Exploring the Universe with matter waves,” Nature, vol. 562, no. 7727, pp. 351–352, Oct. 2018, doi: 10.1038/d41586-018-07009-5}

Una aplicación emocionante y notable de esta tecnología sería el desarrollo de una sonda de ondas de materia continua, frente a una pulsada. En principio, esto se había reconocido como una posibilidad durante décadas, pero construir una sonda cuántica utilizando emisiones controladas de ondas de materia BEC era un reto tecnológico, debido a las dificultades asociadas con el mantenimiento de un depósito constante de BEC desde el que se pudiera generar una emisión continua. Anteriormente, lo mejor que se podía conseguir era una emisión coherente estimulada por pulsos -el láser siguió la misma trayectoria de desarrollo-; sin embargo, sólo unos meses después de la generación de la primera emisión láser por pulsos se inventó una versión continua.

Ahora, por primera vez, un equipo ha publicado en Nature la generación de un dispositivo de onda de materia coherente continua, un análogo de onda de materia de un láser de onda continua [6]. El equipo superó los obstáculos tecnológicos de la transición de una onda de materia coherente BEC pulsada a una onda continua (CW) abordando la restricción de larga data para los dispositivos de gas cuántico que requería que las etapas de enfriamiento (para regenerar el BEC) se realizaran en una secuencia de pasos, en lugar de proporcionar un enfriamiento continuo para la regeneración constitutiva del BEC. El equipo consiguió una condensación de Bose-Einstein continua creando un condensado de CW de átomos de estroncio sostenido por la amplificación mediante la ganancia de átomos estimulada por Bose desde un baño térmico (véase la figura siguiente).

El equipo descubrió que la clave para realizar un BEC de átomos en onda continua era amplificar continuamente la onda de materia atómica preservando su coherencia de fase, de modo que el BEC pudiera sostenerse continuamente aunque sufriera pérdidas inexorables, como las de los átomos de estroncio que volvieran al estado de molécula "individualista" (frente a la fase colectiva del BEC), y sustituir los átomos que se acoplaran fuera del BEC para sostener el láser de átomos. El equipo resolvió la amplificación de la ganancia proporcionando al BEC un suministro continuo de átomos de estroncio de gas denso y ultrafrío que proporcionaban ganancia mediante colisiones elásticas entre átomos térmicos (en el gas denso ultrafrío) sin sacrificar la coherencia de fase, generando con éxito la metodología de prueba de principio para un láser de átomos de BEC de onda continua. Así lo describe el equipo:

El funcionamiento continuo es ventajoso para los sensores, ya que elimina los tiempos muertos y puede ofrecer mayores anchos de banda que el funcionamiento en pulsos. Por su parte, los sensores que utilizan los BECs se benefician de su alta densidad de espacio de fase y de sus propiedades únicas de coherencia. Combinando estas ventajas, un rayo láser de átomos de onda continua desacoplado de un condensado de onda continua podría ser ideal para muchas aplicaciones de detección cuántica. A largo plazo, los láseres de átomos CW podrían beneficiarse de aplicaciones que van desde la búsqueda de materia oscura y energía oscura, la detección de ondas gravitacionales, las pruebas del principio de equivalencia de Einstein hasta las exploraciones en geodesia. A corto plazo, el CW BEC ofrece una plataforma para estudiar la óptica cuántica de los átomos y los nuevos fenómenos cuánticos que surgen en los gases cuánticos impulsados-disipativos [6].

RSF en Perspectiva

Es importante tener en cuenta que cuando hablamos de la materia a escala elemental estamos hablando de formas de onda, y aunque tienen propiedades cuantizadas similares a las de las partículas (paquetes de ondas, u ondas de Broglie), son sin embargo esencialmente resonancias. La resonancia y la combinación constructiva/destructiva de formas de onda subyacen a toda la física y al comportamiento de la materia y la energía en el universo. Además, como nuestra nueva investigación demostrará matemáticamente, la fase de estas resonancias de ondas cuánticas, ya sea en el estado de Bose, mixto Bose-Fermi o puramente Fermi, determina las propiedades y fuerzas fundamentales de las partículas elementales, como la masa del protón, el electrón y la fuerza de enlace nuclear y la interacción electromagnética asociadas. Disponer de un láser atómico continuo de ondas de materia coherentes permitirá, en principio, realizar ciertas pruebas de la gravedad cuántica y sondear la naturaleza fundamental de las resonancias y fases de la materia.

Referencias

[1] Bose, S. N. Z. Phys. 26, 178–181 (1924).

[2] Einstein, A. Phys. Math. Klasse 1, 3–14 (1925).

[3] Anderson, M. H., Ensher, J. R., Matthews, M. R., Wieman, C. E. & Cornell, E. A. Science 269, 198–201 (1995).

[4] Urdaneta, I., Brown, W. Measuring the Curvature of Spacetime using Time Dilation at Atomic Scale. The Resonance Science Foundation. Available online at https://es.resonancescience.org/blog/midiendo-la-curvatura-del-espacio-tiempo-usando-la-dilatacion-del-tiempo-a-escala-atomica

[5] L. Liu, “Exploring the Universe with matter waves,” Nature, vol. 562, no. 7727, pp. 351–352, Oct. 2018, doi: 10.1038/d41586-018-07009-5

[6] C.-C. Chen, R. González Escudero, J. Minář, B. Pasquiou, S. Bennetts, and F. Schreck, “Continuous Bose–Einstein condensation,” Nature, vol. 606, no. 7915, pp. 683–687, Jun. 2022, doi: 10.1038/s41586-022-04731-z