Conseguir que los átomos hagan lo que quieres no es fácil, pero está en el centro de muchas investigaciones pioneras en física.
Crear y controlar el comportamiento de nuevas formas de materia es de particular interés y un área activa de investigación.
Nuestro nuevo estudio, publicado en Cartas de revisión físicaha descubierto una nueva forma de esculpir átomos ultrafríos en diferentes formas utilizando luz láser.
Los átomos ultrafríos, enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273 °C), son de gran interés para los investigadores, ya que les permiten ver y explorar fenómenos físicos que de otro modo serían imposibles.
A estas temperaturas, más frías que el espacio exterior, los grupos de átomos forman un nuevo estado de la materia (no sólido, líquido o gaseoso) conocido como Condensados de Bose-Einstein (BEC). En 2001, los físicos fueron galardonado con el premio nobel para generar tal condensado.
La característica definitoria de un BEC es que sus átomos se comportan de manera muy diferente a lo que normalmente esperamos. En lugar de actuar como partículas independientes, todas tienen la misma energía (muy baja) y están coordinadas entre sí.
Esto es similar a la diferencia entre los fotones (partículas de luz) provenientes del Sol, que pueden tener muchas longitudes de onda (energías) diferentes y oscilar de forma independiente, y los rayos láser, que tienen la misma longitud de onda y oscilan juntos.
En este nuevo estado de la materia, los átomos actúan mucho más como una sola estructura ondulatoria que como un grupo de partículas individuales.
Los investigadores han podido demostrar patrones de interferencia similares a ondas entre dos BEC diferentes e incluso producir “gotas de BEC” en movimiento. Este último puede ser considerado como el equivalente atómico de un rayo láser.
Gotas en movimiento
En nuestro último estudio, realizado con nuestros colegas gordon robb y Gian Luca Oppoinvestigamos cómo se pueden usar rayos láser de formas especiales para manipular átomos ultrafríos de un BEC.
La idea de usar la luz para mover objetos no es nueva: cuando la luz cae sobre un objeto, puede ejercer una fuerza (muy pequeña). Esta presión de radiación es el principio detrás la idea de las velas solaresdonde la fuerza ejercida por la luz solar sobre grandes espejos se puede utilizar para impulsar una nave espacial a través del espacio.
En este estudio, sin embargo, utilizamos un tipo particular de luz que es capaz no solo de “empujar” los átomos, sino también de hacerlos girar, un poco como un “llave óptica“.
Estos rayos láser parecen anillos brillantes (o anillos) en lugar de puntos y tienen un frente de onda torcido (helicoidal), como se muestra en la imagen a continuación.
En las condiciones correctas, cuando se proyecta una luz retorcida sobre un BEC en movimiento, los átomos que contiene se atraen primero hacia el anillo brillante antes de rotar a su alrededor.
A medida que los átomos giran, tanto la luz como los átomos comienzan a formar gotas que orbitan en la dirección original del rayo láser antes de ser expulsadas hacia el exterior, alejándose del anillo.
El número de gotas es igual al doble del número de giros de luz. Al cambiar el número o la dirección de los giros en el rayo láser inicial, teníamos control total sobre el número de gotas que se formaban y la velocidad y dirección de su rotación posterior (ver la imagen a continuación).
Incluso podríamos evitar que las gotas atómicas escapen del anillo para que continúen orbitando durante mucho más tiempo, produciendo una forma de corriente atómica ultrafría.
Corrientes atómicas ultrafrías
Este enfoque de hacer brillar luz retorcida a través de átomos ultrafríos abre una forma nueva y simple de controlar y esculpir la materia en formas más complejas y no convencionales.
Una de las aplicaciones potenciales más emocionantes de los BEC es la generación de “circuitos atomtronicos“, donde las ondas de materia de átomos ultrafríos son guiadas y manipuladas por campos ópticos y/o magnéticos para formar equivalentes avanzados de circuitos electrónicos y dispositivos como transistores y diodos.
Ser capaz de manipular de manera confiable la forma de un BEC ayudará en última instancia a crear circuitos atomtrónicos.
Nuestros átomos ultrafríos, actuando aquí como un “dispositivo de interferencia cuántica superconductora atomtrónica“, tienen el potencial de proporcionar dispositivos muy superiores a la electrónica convencional.
Esto se debe a que los átomos neutros dan como resultado una menor pérdida de información que los electrones que normalmente constituyen la corriente. También tenemos la posibilidad de cambiar características del dispositivo más fácilmente.
Sin embargo, lo más emocionante es el hecho de que nuestro método nos permite producir circuitos atomtrónicos complejos que serían simplemente imposibles de diseñar con materiales normales.
Esto podría ayudar a diseñar sensores cuánticos altamente controlables y fácilmente reconfigurables capaces de medir campos magnéticos diminutos que de otro modo serían inconmensurables.
Tales sensores sería útil en áreas que van desde la investigación física básica hasta el descubrimiento de nuevos materiales o la medición de señales del cerebro.
otorgar hendersoncandidato a doctorado en Física, Universidad de Strathclyde y alison yaoprofesor titular de física, Universidad de Strathclyde
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