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. 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. Se trata de la primera vez que se demuestra que se pueden utilizar 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.

Más detalles de la investigación

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 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 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 20 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 se empezaron a discutir y aplicar en dispositivos sólidos en los 10 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 10 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 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”. 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 paper, Dimitri Chafatinos, que es egresado de la licenciatura en Física y de la maestría en Ciencias Físicas del Balseiro.

“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, que en la actualidad es estudiante de Doctorado en el IB, institución que depende de la UNCUYO y la CNEA.

Chafatinos cuenta que el paso siguiente fue un largo trabajo de análisis de datos y largas discusiones de grupo para comprender los resultados. “Es interesante destacar que los polaritones BEC se encuentran en el mismo nivel de energía coherente y responden de forma sincrónica, es decir, cuando uno libera energía las partículas vecinas liberarán la misma cantidad de energía. Cuando esto sucede, la interacción entre las partículas y los espejos se amplifica, los polaritones comienzan a ‘pechar’ todos juntos los espejos causando la vibración de los mismos”, cuenta el físico.

“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, que es ex alumno del profesor Daniel Córdoba, creador del taller “Física para Todos” de Salta.

Así, los investigadores lograron la estimulación coherente de vibraciones o fonones. Es decir, 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.