La tecnología láser da un salto cuántico
En la Universidad de Innsbruck (Austria), un equipo de investigación financiado con fondos comunitarios ha creado un láser de átomo único que se rige por el mismo principio que los láseres clásicos pero que además presenta propiedades cuánticas en sus interacciones entre átomos y fotones. Los resultados de su investigación, publicados en la revista Nature Physics, ampliarán el conocimiento que se posee de las propiedades de los láseres y podrán utilizarse para medir composiciones de oligoelementos gaseosos e isótopos de carbono en el aire y el suelo. El apoyo comunitario al proyecto procedió de los proyectos QUBITS («Procesamiento y transferencia de información cuántica mediante átomos y fotones únicos») y QUEST, ambos financiados mediante el Quinto Programa Marco (5PM), y del proyecto SCALA («Computación cuántica escalable mediante luz y átomos»), financiado mediante el Sexto Programa Marco (6PM). Otras fuentes de financiación fueron la Federación de la Industria Austríaca - Tirol y el Fondo Científico de Austria (FWF). Hace tan sólo cincuenta años que se desarrollaron los primeros láseres, ondas de luz electromagnética generadas de forma artificial que pueden manipularse mediante lentes. Hoy en día, esta tecnología ya forma parte de todos los aspectos de nuestra vida. Se emplea con profusión en muchos ámbitos, sobre todo electrónica, medicina, industria, salud y belleza, seguridad y ocio. Un láser clásico consta de un medio activo de ganancia (dispositivo de amplificación) contenido en una cavidad óptica de gran reflectividad en la que se amplía la luz (resonador). En un láser de este tipo se produce un aumento pronunciado de la potencia de producción al alcanzarse un umbral preestablecido. En ese instante, la ganancia (amplificación) es igual a las pérdidas mientras la luz circula por la cavidad. Cuanto mayor sea la cantidad de fotones, más potente será la amplificación de la luz. El equipo de investigación de la Universidad de Innsbruck se propuso demostrar que se puede establecer dicho umbral en el elemento mínimo del láser, en concreto un átomo único en interacción con una única molécula en la cavidad óptica. Para lograrlo confinaron un ion de calcio en una trampa de iones y lo excitaron con láseres externos. La cavidad óptica utilizada en el experimento contaba con dos espejos que atraparon y acumularon los fotones emitidos por el ion dentro de un modo. Un láser externo excita de forma cíclica el ion y en cada ciclo se añade un fotón al modo de la cavidad, produciendo así una amplificación de la luz. El fuerte acoplamiento del átomo en la cavidad saca a relucir el comportamiento cuántico del par átomo-cavidad: sólo pueden entrar en la cavidad fotones únicos. «En consecuencia, se carece de emisión estimulada y de umbral», explicó el autor principal del estudio, François Dubin, de la Universidad de Innsbruck. Esta investigación sigue la estela de otro estudio realizado hace varios años en el que se demostró la posibilidad de crear láseres cuánticos, pero difiere de aquél en que el acoplamiento puede adaptarse al modo de la cavidad. El equipo de investigación descubrió que, eligiendo el parámetro adecuado del láser principal, se alcanzaba un estado de excitación mayor y se podían introducir más fotones en la cavidad. Aunque en ella quedase menos de un fotón, los investigadores detectaron emisiones estimuladas en forma de umbral. «La amplificación producida por un único átomo es muy débil. Por ello, el umbral es mucho menor que en los láseres clásicos», indicó el Dr. Piet Schmidt, de la Universidad de Innsbruck. Cuanto mayor es la potencia de excitación en un láser clásico, mayor es su producción, pero esto no se aplica al láser de átomo único desarrollado por la Universidad de Innsbruck. La producción generada en su dispositivo está limitada, por ello el equipo ampliará su investigación al estudio de la transición entre láseres clásicos y cuánticos mediante la inclusión controlada de cada vez más iones para que interactúen con el campo de luz.
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Austria