Ci siamo quasi: il laser atomico che produce un raggio di materia

I laser atomici che possono produrre continuamente un raggio di materia sono un passo avanti. I laser luminosi, che utilizziamo tra l’altro nelle stampanti, nelle apparecchiature di misurazione e nell’oftalmologia, emettono un raggio stretto di luce coerente, costituito da onde luminose che si muovono in modo completamente sincrono. Secondo la meccanica quantistica, particelle come gli atomi possono anche essere descritte come onde. Ciò significa che i fisici possono creare un laser atomico facendo muovere le onde di materia degli atomi in modo sincrono, come una grande onda di materia.

I laser atomici possono essere utilizzati in sensori precisi con applicazioni nella navigazione e nella ricerca fisica sugli effetti gravitazionali. Per queste applicazioni è necessario mantenere a lungo le onde di materia. Un gruppo di fisici dell’Università di Amsterdam (UvA) ha sviluppato un metodo per questo. I loro Risultati apparso la scorsa settimana in Natura†

La base di un laser atomico è costituita da migliaia o addirittura milioni di atomi che sono tutti nello stesso stato allo stesso tempo, formando così un’onda di materia coerente. Questo è chiamato un condensato di Bose-Einstein. Puoi paragonarlo a un gruppo di soldati che marciano al passo perfetto, facendoli apparire come uno solo.

zero Assoluto

Non è facile fare in modo che gli atomi formino un condensato di Bose-Einstein. Per fare ciò, devono essere raffreddati sotto vuoto fino a quasi lo zero assoluto (-273°C), in modo che si muovano appena. Questo viene fatto con la luce laser che rallenta gli atomi, facendoli raffreddare. Quando una nuvola di atomi è sufficientemente fredda e compatta, forma naturalmente un condensato di Bose-Einstein.

I condensati di Bose-Einstein sono stati prodotti per la prima volta oltre 25 anni fa. Questo presto produsse i primi laser atomici. Ma questi possono produrre solo impulsi di onde di materia in una frazione di secondo. Un condensato di Bose-Einstein esiste solo per un breve periodo ed è vulnerabile perché perdi gli atomi al suo interno quando si riscaldano o formano molecole. Una piccola luce laser diffusa può distruggerlo. Questo è difficile, perché la luce laser è necessaria per il raffreddamento.

“Per mantenere un laser atomico privo di impulsi, devi aggiungere continuamente atomi ultrafreddi al condensato di Bose-Einstein per compensare gli atomi che perdi”, spiega al telefono il fisico UvA Florian Schreck. Lui ei suoi colleghi hanno sviluppato una tecnica per questo. “Nel 2012, abbiamo dimostrato che era possibile creare un condensato di Bose-Einstein circondato da una nuvola di atomi raffreddati al laser”, afferma. In questa nuvola raffreddata al laser, gli atomi possono scontrarsi come palle da biliardo. Uno ottiene tutta l’energia cinetica, quindi l’altro è così lento da poter entrare nel condensato di Bose-Einstein.

Raffreddamento graduale

L’ultimo sviluppo riguarda il raffreddamento laser degli atomi, che avviene passo dopo passo. Ad ogni stadio, un laser diverso raffredda ulteriormente gli atomi. “Altri esperimenti eseguono questi passaggi di raffreddamento uno dopo l’altro, nello stesso posto. Nella nostra configurazione, ogni passaggio si svolge da qualche altra parte”, spiega Schreck. “Ciò riduce il rischio che la luce di una fase interferisca con quella successiva”.

Ciò si traduce in una disposizione con un flusso costante di atomi che vengono raffreddati passo dopo passo e alla fine finiscono nella nuvola raffreddata al laser. Da lì alimentano il condensato di Bose-Einstein che viene trattenuto per così tanto tempo in modo arbitrario.

È quasi un laser atomico, ma non ancora. Schreck: “Il prossimo passo è aggiungere una sorta di output in modo da poter estrarre un raggio laser atomico continuo dal condensato di Bose-Einstein”. In caso di successo, il laser è pronto per l’uso.