Científicos de Argentina y Alemania crean un novedoso láser de sonido

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, un equipo de científicos de Argentina y Alemania demostró por primera vez 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.

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. Se pueden producir 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.

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 (270 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. El artículo científico que reporta este trabajo acaba de ser publicado en la revista Naure Communications.

Los físicos argentinos que participaron del proyecto son investigadores del CONICET y egresados y docentes del Instituto Balseiro (IB; CNEA-UNCuyo). Sus pares alemanes trabajan en el Paul-Drude-Institut de Berlin. La colaboración fue financiada por los ministerios de ciencia de ambos países.

¿Por qué se trata de un sistema híbrido? Alejandro Fainstein, investigador del CONICET en la Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología – Nodo Bariloche (UE-INN-Nodo Bariloche, CONICET-CNEA) y director del proyecto en el Centro Atómico Bariloche (CAB, CNEA), comenta que lo novedoso del trabajo es que lograron demostrar la eficiencia de un nuevo enfoque.

Lo hicieron al crear un dispositivo que consiste 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.

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 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 el investigador.

El físico 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”, detalla Fainstein. El resultado es un sáser cuya emisión está constituida por cientos de miles de “fonones”, los cuantos de las vibraciones acústicas.

Esas 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”, agrega el investigador.

“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 20 años de trabajo en especializarse en optomecánica y la tecnología láser.

Hace 17 años, en 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.

¿Cómo midieron el hipersonido? “El condensado de Bose-Einstein de polaritones genera las vibraciones coherentes, y éstas 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”, explica Fainstein.

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.

LOS EXPERIMENTOS

Para poder realizar experimentos que derivaron en la primera demostración de este nuevo sáser, y que incluye un modelo teórico en el paper publicado, los físicos de Argentina utilizaron como base un dispositivo (una microcavidad para generar polaritones) desarrollado por sus pares de Alemania, del Paul-Drude-Institut.

En el Laboratorio de Fotónica y Optoelectrónica del CAB, los físicos argentinos prepararon un experimento de “micro-espectroscopía por fotoluminiscencia a bajas temperaturas”, incluyendo sus conocimientos de optomecánica de cavidades resonantes.

“El reto experimental fue lograr focalizar de manera precisa un haz láser en arreglos ordenados de estructuras cuadradas de 2um (micrómetros) de lado, todo esto a bajas temperaturas. Y, con un espectrómetro de muy alta resolución espectral, estudiar la luz que emite la muestra luego de ser excitada con el láser”, detalla el primer autor del trabajo, Dimitri Chafatinos, becario doctoral del CONICET en la UN-INN-Nodo Bariloche y egresado del IB de la Licenciatura en Física y de la Maestría en Ciencias Físicas, donde también se encuentra haciendo su doctorado.

“El armado del experimento nos llevó un periodo de 3-4 meses de calibración y mejoras experimentales para realizar las primeras mediciones. Luego, para llegar a los resultados siguieron muchos días y noches de realizar experimentos cambiando múltiples parámetros”, agrega Chafatinos.

“Esa vibración se puede pensar como ‘pulmones’ respirando, es decir, ambos espejos se separan y se acercan resonantemente. Este cambio de la distancia de los espejos a su vez modifica la luz que puede ‘vivir’ dentro de la cavidad, y por lo tanto modifica los niveles energéticos de los polaritones”, describe el joven de 24 años.

Así, los investigadores lograron la estimulación coherente de vibraciones o fonones. O, dicho en otras palabras, demostraron por primera vez que se puede generar un láser de sonido o sáser a partir de polaritones BEC.

Entre los próximos desafíos, está comprender mejor la física detrás del fenómeno y la optimización del nuevo dispositivo. Un principio, más que un fin.