Un trabajo conjunto de investigadores argentinos y alemanes crea un “láser de sonido”

Se trata de un desarrollo experimental que abre el camino para potenciales aplicaciones en las áreas de la computación cuántica, las comunicaciones y la salud.


A partir de experimentos con polaritones en estados cuánticos llamados “condensado Bose-Einstein”, físicos de Argentina y Alemania generaron por primera vez un nuevo tipo de láser de sonido o “sáser”.

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 alcanzado fue la demostración de una generación de sonido “sáser” de muy alta frecuencia o “hipersonido”, inaudible para el ser humano.

“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 el director del proyecto con sede en el Centro Atómico Bariloche (CAB) Alejandro Fainstein: Vale recordar que el límite audible para los seres humanos es del orden de 20kHz.

Los físicos argentinos que realizaron este descubrimiento son egresados y docentes del Instituto Balseiro e investigadores del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) en el Laboratorio de Fotónica y Optoelectrónica de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y en el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (CNEA-CONICET). Sus pares alemanes trabajan en el Paul-Drude-Institut de Berlín. La colaboración fue financiada por los ministerios de ciencia de ambos países.

Cómo se hizo la investigación

Para poder realizar los experimentos que derivaron en la primera demostración de este nuevo sáser -incluye un modelo teórico publicado en un paper científico- los físicos de nuestro país utilizaron como base un dispositivo que es una microcavidad para generar polaritones, desarrollado por sus pares alemanes del Paul-Drude-Institut. En el Laboratorio de Fotónica y Optoelectrónica del CAB se preparó un experimento de micro-espectroscopía por fotoluminiscencia a bajas temperaturas, para lo que resultaron claves los conocimientos de optomecánica de cavidades resonantes del equipo argentino.

“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 Dimitri Chafatinos, egresado del Instituto Balseiro de la Licenciatura en Física y de la Maestría en Ciencias Físicas y primer autor del paper científico que reporta este trabajo y que acaba de ser publicado en la revista Nature Communications.

Chafatinos destaca que el armado del experimento significó un periodo de casi cuatro meses de calibración y mejoras experimentales para realizar las primeras mediciones. "Para llegar a los resultados siguieron muchos días y noches de realizar experimentos cambiando múltiples parámetros”, agrega.

El paso siguiente fue un largo trabajo de análisis de datos y discusiones para comprender los resultados, al cabo del cual los investigadores lograron demostrar por primera vez que se puede generar un láser de sonido o sáser a partir de polaritones BEC.

El resultado de los experimentos involucra a la luz, los electrones en los átomos y las vibraciones en "una forma muy eficiente de transformar un haz de luz, en emisión de ‘sonido’ coherente”, sintetiza Alejandro Fainstein, que ha dedicado con su grupo casi 20 años de trabajo en especializarse en optomecánica y la tecnología láser.

Entre los próximos desafíos de la investigación está comprender mejor la física detrás del fenómeno y la optimización del nuevo dispositivo.

Qué son los condensados Bose-Einstein

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 usando un gas diluído de átomos fríos (rubidio a muy bajas temperaturas), lo cual los hizo merecedores del premio Nobel en 2001 junto a Wolfgang Ketterle. Estos BECs son llamados "el quinto estado de la materia", y responden a una física similar al estado superconductor y superfluído mostrado por algunos materiales.

El 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.

La fotografía proviene del artículo citado