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Universidad Nacional de Cuyo - Instituto Balseiro

02 de Noviembre de 2020 | 8 ′ 56 ′′

Investigadores de Argentina y Alemania crean un “láser de sonido”

A partir de experimentos con polaritones en estados cuánticos, físicos de ambos países, entre los que se encuentran egresados y docentes del Instituto Balseiro, generaron por primera vez un tipo de láser de sonido, o “sáser”. Es un aporte para avanzar en el conocimiento físico del mundo cuántico, con potenciales aplicaciones en distintos campos científicos.

Espectrograma de la luz emitida por el condensado de Bose-Einstein vibrando por el láser de sonido. (Crédito imagen: A. Fainstein et al)

Los “Condensados Bose-Einstein” (BEC, por sus siglas en inglés) fueron teorizados por Satyendra Nath Bose y Albert Einstein hace casi un siglo. En 1995, Eric Cornell y Carl Wieman lograron por primera vez generar en el laboratorio este tipo de estado cuántico, llamado “el quinto estado de la materia”, al utilizar átomos de rubidio a muy bajas temperaturas. Ahora, por primera vez, un equipo de científicos de Argentina y Alemania demostró la generación de un láser de sonido de muy alta frecuencia, que basa su funcionamiento en el acoplamiento de condensados de Bose-Einstein pero de otro tipo de partículas, los polaritones.

Este tipo de láser de sonido o “sáser” significa un aporte importante para avanzar en el conocimiento físico del mundo cuántico. Y además podría ser utilizado en distintos campos, en especial en tecnologías cuánticas, las telecomunicaciones, y en áreas biológicas y de la salud. El artículo científico o paper que reporta este trabajo acaba de ser publicado en la revista “Nature Communications”.

Los polaritones son partículas del tipo bosón que se generan por el acoplamiento fuerte e indivisible entre fotones (los “paquetes” coherentes de luz) y una oscilación electrónica en un átomo. Pueden producirse iluminando con un láser ciertos dispositivos resonantes. Ante determinados estímulos, millones de ellos forman un condensado de Bose-Einstein y responden de forma sincronizada, como “un gran átomo” en el mismo nivel de energía. Se trata de la primera vez que se demuestra que pueden utilizarse para generar un láser de sonido o sáser.

El nuevo desarrollo consiste en un sistema híbrido que combina distintas herramientas de la física cuántica para generar un fenómeno de hipersonido producido por la interacción entre la luz y los polaritones BEC. Los experimentos fueron realizados en el Laboratorio de Fotónica y Optoelectrónica de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), a temperaturas de 5 grados Kelvin (268 grados centígrados bajo cero). El principal resultado fue la demostración de una generación de sonido “sáser” de muy alta frecuencia o “hipersonido”, inaudible para el ser humano.

Los físicos argentinos que realizaron este descubrimiento son egresados y docentes del Instituto Balseiro, e investigadores del Conicet en ese Laboratorio. Sus pares alemanes trabajan en el Paul-Drude-Institut de Berlín. La colaboración fue financiada por los ministerios de ciencia de ambos países.

Un nuevo enfoque: las microcavidades resonantes

Alejandro Fainstein, director del proyecto en el Centro Atómico Bariloche, comenta que lo novedoso del trabajo es que lograron demostrar la eficiencia de un nuevo enfoque. En la investigación participaron también, de Argentina: Dimitri Chafatinos, Sebastián Anguiano, Andrés Reynoso y Axel Bruchhausen; y de Alemania: Alexander Kuznetsov, Klaus Biermann y Paulo Santos.

Lo hicieron al crear un dispositivo que consiste en microcavidades resonantes acopladas que combinan polaritones BEC, algo que se estudia en el campo de la electrodinámica cuántica y donde es experto el grupo alemán, con fenómenos de optomecánica resonante, en el que es experto el grupo argentino. En estas cavidades resonantes se amplifican ondas, tanto de luz como de sonido. Para estos experimentos, diseñaron una “nanoarquitectura” que incluye espejos que reflejan a la luz y el sonido, y que se mueven con las vibraciones, y “pozos” que funcionan como trampas para facilitar la condensación Bose-Einstein de los polaritones.

Ahora bien, el láser basa su funcionamiento en la utilización de un fenómeno de la física cuántica: la emisión estimulada de luz monocromática y coherente de “paquetes” de luz o “fotones”. Por eso, sus siglas (que están en inglés) significan: “Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación”. En el caso del nuevo láser de sonido, los científicos lograron generar el mismo tipo de fenómeno pero con vibraciones mecánicas, es decir, emitiendo hipersonido y utilizando como materia prima un láser.

“El sonido producido es de muy alta frecuencia, unos 20GHz., es decir del orden de un millón de veces más alta frecuencia de lo que los humanos podemos escuchar”, señala a Argentina Investiga Fainstein, y detalla que el límite audible es del orden de 20kHz.

“En nuestro sistema híbrido utilizamos un láser continuo que cuando ingresa a la cavidad se encuentra con átomos y forma estos polaritones BEC. La luz a veces viaja en la cavidad como luz y, otra parte del tiempo, está capturada por los átomos generando oscilaciones de carga”, describe Fainstein. Y explica que al aumentar la potencia de excitación laser este tipo de polaritones forma el Condensado Bose-Einstein, que implica un estado de sincronización de la emisión de fotones. Así, millones de polaritones se comportan como si fueran un mismo átomo, “cantando” al unísono en armonía.

“Esto da lugar a una emisión y luego reabsorción de luz simultánea y muy intensa. Es este estado sincronizado de Bose-Einstein el que golpea los espejos de la cavidad, dando lugar a las vibraciones mecánicas coherentes. El resultado es un sáser cuya emisión está constituida por cientos de miles de ‘fonones’, los cuantos de las vibraciones acústicas. Estas vibraciones, a su vez, afectan a la cavidad, es decir, al condensado de Bose-Einstein, ya que cambian el tamaño del resonador. Y de esa manera todo ‘oscila sincrónicamente’: el condensado de Bose-Einstein de polaritones y las vibraciones”, precisa Fainstein.

“El resultado de esta danza compleja que involucra a la luz, los electrones en los átomos y las vibraciones, es una forma muy eficiente de transformar un haz de luz, en emisión de ‘sonido’ coherente”, completa el egresado y docente del Instituto Balseiro, que ha dedicado con su grupo casi veinte años de trabajo en especializarse en optomecánica y la tecnología láser.

De hecho, hace 17 años, en el 2003, el grupo de Fainstein publicó su primer paper sobre cavidades resonantes de fotones y fonones en la revista “Physical Review Letters”. Ese avance fue la base para lograr, tras años de prueba y error, este trabajo publicado en 2020 de generación y manipulación de hipersonido.

“Las ideas de la optomecánica de cavidades (CQOM, por sus siglas en inglés) que utilizamos en este experimento reportado en 2020, surgen de los años ‘80 en el contexto del proyecto LIGO pero recién empezaron a discutirse y aplicarse en dispositivos sólidos en los diez últimos años. Lo mismo vale para los polaritones en cavidades resonantes. Su primera observación fue en 1992. Pero recién se logró la condensación de Bose-Einstein en 2006”, comenta Fainstein.

El proyecto LIGO al que hace referencia el físico es el que sacudió al mundo de la astrofísica al demostrar de forma directa la existencia de ondas gravitacionales, otra de las predicciones teóricas de Einstein. Para realizar esas mediciones, y en una escala mucho más grande, utilizaron conocimientos de optomecánica y de un instrumento llamado “interferómetro”, que utiliza grandes espejos y tecnología láser para medir alteraciones en las longitudes de onda de la luz, y de distancias entre los espejos, causadas por las mismas ondas gravitacionales.

“La actividad más consolidada que ha permitido utilizar estos condensados de Bose-Einstein de polaritones es de los últimos diez años. Es decir, hace 17 años, ninguna de las dos componentes esenciales de nuestro actual trabajo, la optomecánica cuántica en cavidades y los condensados de Bose-Einstein de polaritones, se habían aún descubierto. Tuvimos que aprender mucho de lo que hicieron otros... Y en el camino intentar, fallar y frustrarnos”, agrega el físico.

Con respecto a la medición del hipersonido, Fainstein explica que: “El condensado de Bose-Einstein de polaritones genera las vibraciones coherentes y estas afectan a su vez al condensado de Bose-Einstein, haciendo vibrar la cavidad de luz que lo contiene. Al modular al condensado de polaritones, el sonido coherente modifica de una manera característica el espectro de luz que éste emite”. Por eso, midieron ese espectro característico, que son líneas de distinto color cuando está presente el sonido coherente. “Y de la amplitud de las distintas componentes de este espectro pudimos estimar la intensidad del sonido emitido”, agrega el físico.

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