Crear y controlar el comportamiento de nuevas formas de materia es un campo muy activo de la investigación científica.
Un nuevo estudio ha descubierto una forma de esculpir átomos ultrafríos mediante luz láser.
Enfriar átomos a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273 °C) permite a los científicos explorar fenómenos físicos que de otro modo serían imposibles.
Conseguir que los átomos hagan lo que uno quiere no es fácil, pero es fundamental para muchas investigaciones revolucionarias en física.
Crear y controlar el comportamiento de nuevas formas de materia es de especial interés y un campo activo de investigación. Nuestro nuevo estudio, publicado en Physical Review Letters, ha descubierto una forma totalmente nueva de esculpir átomos ultrafríos y darles distintas formas mediante 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 observar y explorar fenómenos físicos que de otro modo serían imposibles. A estas temperaturas, más bajas que las del espacio exterior, grupos de átomos forman un nuevo estado de la materia (que no es sólido, líquido ni gaseoso) conocido como condensados de Bose-Einstein (BEC, por sus siglas en inglés). En 2001, los físicos fueron galardonados con el Premio Nobel por generar un condensado de este tipo.
La característica distintiva de un BEC es que sus átomos se comportan de forma muy distinta a la que solemos esperar. En vez de actuar como partículas independientes, todos tienen la misma energía (muy baja) y están coordinados entre sí.
Esto es parecido a la diferencia entre los fotones (partículas de luz) que proceden del Sol, que pueden tener muchas longitudes de onda (energías) distintas y oscilar de forma independiente, y los de los haces láser, que tienen todos la misma longitud de onda y oscilan juntos.
En este nuevo estado de la materia, los átomos se comportan mucho más como una sola estructura ondulatoria que como un grupo de partículas individuales. Los investigadores han logrado demostrar patrones de interferencia ondulatoria entre dos BEC distintos e incluso producir «gotas de BEC» en movimiento. Estas últimas pueden considerarse el equivalente atómico de un haz láser.
Gotas en movimiento
En nuestro estudio más reciente, realizado junto con nuestros colegas Gordon Robb y Gian-Luca Oppo, investigamos cómo se pueden utilizar haces 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 incide sobre un objeto, puede ejercer una fuerza (muy pequeña). Esta presión de radiación es el principio en que se basa la idea de las velas solares, donde la fuerza que la luz solar ejerce sobre grandes espejos puede propulsar una nave espacial a través del espacio.
En este estudio, sin embargo, usamos un tipo concreto de luz capaz no solo de «empujar» los átomos, sino también de hacerlos girar, algo parecido a una «llave óptica». Estos haces láser parecen anillos brillantes (o rosquillas) en vez de puntos y tienen un frente de onda retorcido (helicoidal), como se muestra en la imagen de abajo.
En las condiciones adecuadas, cuando se ilumina un BEC en movimiento con esa luz retorcida, los átomos que lo forman primero son atraídos hacia el anillo brillante y luego empiezan a girar a su alrededor. A medida que los átomos giran, tanto la luz como los átomos comienzan a formar gotas que orbitan alrededor de la dirección inicial del haz láser antes de ser expulsadas hacia fuera, alejándose del anillo.
El número de gotas equivale al doble del número de torsiones de la luz. Al cambiar el número o la dirección de las torsiones en el haz láser inicial, pudimos controlar por completo el número de gotas que se formaban y la velocidad y dirección de su rotación posterior (véase la imagen de abajo). Incluso pudimos evitar que las gotas atómicas escaparan del anillo, para que siguieran orbitando durante mucho más tiempo y produjeran una forma de corriente atómica ultrafría.
Corrientes atómicas ultrafrías
Este método, que consiste en hacer pasar luz retorcida a través de átomos ultrafríos, abre una vía nueva y sencilla para controlar y esculpir la materia con formas aún más complejas y poco convencionales.
Una de las aplicaciones potenciales más interesantes de los BEC es la generación de «circuitos atomtrónicos», en los que ondas de materia de átomos ultrafríos se guían y manipulan mediante campos ópticos o magnéticos (o ambos) para formar equivalentes avanzados de circuitos electrónicos y dispositivos como transistores y diodos. Poder manipular de forma fiable la forma de un BEC ayudará, en última instancia, a crear circuitos atomtrónicos.
Nuestros átomos ultrafríos, que aquí actúan como un «dispositivo atomtrónico superconductor de interferencia cuántica», tienen el potencial de ofrecer dispositivos muy superiores a los de la electrónica convencional. Esto se debe a que los átomos neutros provocan menos pérdida de información que los electrones, que normalmente forman la corriente. También podemos cambiar las características del dispositivo con mayor facilidad.
Lo más emocionante, sin embargo, es que nuestro método nos ofrece la posibilidad de producir circuitos atomtrónicos complejos que sería sencillamente imposible diseñar con materiales convencionales. Esto podría ayudar a diseñar sensores cuánticos muy controlables y fáciles de reconfigurar, capaces de medir campos magnéticos diminutos que de otro modo serían imposibles de medir. Estos sensores serían útiles en ámbitos que van desde la investigación básica en física hasta el descubrimiento de nuevos materiales o la medición de señales del cerebro.
