Físicos dizem que construíram um laser atômico que pode funcionar “para sempre”: WebCuriosos

Uma nova descoberta permitiu aos físicos criar um feixe de átomos que se comporta da mesma forma que um laser e que, teoricamente, pode permanecer ligado “para sempre”.

Isto pode finalmente significar que a tecnologia está a caminho da aplicação prática, embora ainda se apliquem limitações significativas.

No entanto, este é um enorme avanço para o que é conhecido como “laser atômico” – um feixe feito de átomos marchando como uma única onda que poderá um dia ser usado para testar constantes físicas fundamentais e engenharia de tecnologia de precisão.

Os lasers atômicos já existem há um minuto. O primeiro laser atômico foi criado por uma equipe do MIT físicos em 1996. O conceito parece bastante simples: assim como um laser tradicional baseado em luz consiste em fótons movendo-se com suas ondas em sincronia, um laser feito de átomos exigiria que sua própria natureza ondulatória se alinhasse antes de ser embaralhado como um feixe.

Contudo, como acontece com muitas coisas na ciência, é mais fácil conceituar do que realizar. Na raiz do laser atômico está um estado da matéria chamado condensado de Bose-Einstein, ou BEC.

Um BEC é criado resfriando uma nuvem de bósons até apenas uma fração acima do zero absoluto. A temperaturas tão baixas, os átomos descem para o estado de energia mais baixo possível sem parar completamente.

Quando atingem essas energias baixas, as propriedades quânticas das partículas não podem mais interferir umas nas outras; eles se aproximam o suficiente um do outro para se sobreporem, resultando em uma nuvem de átomos de alta densidade que se comporta como um 'superátomo' ou onda de matéria.

No entanto, os BECs são uma espécie de paradoxo. Eles são muito frágeis; até a luz pode destruir um BEC. Dado que os átomos em um BEC são resfriado usando lasers ópticosisso geralmente significa que a existência de um BEC é passageira.

Os lasers atômicos que os cientistas conseguiram alcançar até agora eram do tipo pulsado, em vez de contínuo; e envolve disparar apenas um pulso antes que um novo BEC precise ser gerado.

Para criar um BEC contínuo, uma equipa de investigadores da Universidade de Amesterdão, nos Países Baixos, percebeu que algo precisava de mudar.

“Em experimentos anteriores, o resfriamento gradual dos átomos era feito em um só lugar. Em nossa configuração, decidimos espalhar as etapas de resfriamento não ao longo do tempo, mas no espaço: fazemos os átomos se moverem enquanto eles progridem através de etapas consecutivas de resfriamento, ” explicou o físico Florian Schreck.

“No final, os átomos ultrafrios chegam ao centro do experimento, onde podem ser usados ​​para formar ondas de matéria coerentes em um BEC. Mas enquanto esses átomos estão sendo usados, novos átomos já estão a caminho para reabastecer o BEC. Em desta forma, podemos manter o processo em andamento – essencialmente para sempre.”

Esse “coração da experiência” é uma armadilha que mantém o BEC protegido da luz, um reservatório que pode ser continuamente reabastecido enquanto a experiência decorrer.

Proteger o BEC da luz produzida pelo laser de resfriamento, entretanto, embora simples na teoria, foi novamente um pouco mais difícil na prática. Não houve apenas obstáculos técnicos, mas também burocráticos e administrativos.

“Ao nos mudarmos para Amsterdã em 2013, começamos com um ato de fé, fundos emprestados, uma sala vazia e uma equipe inteiramente financiada por doações pessoais.” disse o físico Chun-Chia Chenque liderou a pesquisa.

“Seis anos depois, nas primeiras horas da manhã de Natal de 2019, o experimento estava finalmente prestes a funcionar. Tivemos a ideia de adicionar um feixe de laser extra para resolver uma última dificuldade técnica e instantaneamente todas as imagens que tiramos mostraram um BEC , o primeiro BEC de onda contínua.”

Agora que a primeira parte do laser de átomo contínuo foi realizada – a parte do “átomo contínuo” – o próximo passo, disse a equipe, é trabalhar na manutenção de um feixe de átomo estável. Eles poderiam conseguir isso transferindo os átomos para um estado não aprisionado, extraindo assim uma onda de matéria em propagação.

Como usaram átomos de estrôncio, uma escolha popular para BECs, a perspectiva abre oportunidades interessantes, disseram. A interferometria atômica usando BECs de estrôncio, por exemplo, poderia ser usada para conduzir investigações de relatividade e mecânica quântica, ou detectar ondas gravitacionais.

“Nosso experimento é o análogo de onda de matéria de um laser óptico de onda contínua com espelhos de cavidade totalmente reflexivos”, os pesquisadores escreveram em seu artigo.

“Esta demonstração de prova de princípio fornece uma nova peça de óptica atômica, até então ausente, permitindo a construção de dispositivos contínuos de ondas de matéria coerente.”

A pesquisa foi publicada em Natureza.