Es genial ser pequeño. Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han miniaturizado los componentes ópticos necesarios para enfriar los átomos hasta unas milésimas de grado por encima del cero absoluto. el primer paso para emplearlos en microchips para impulsar una nueva generación de relojes atómicos súper precisos, habilitar la navegación sin GPS, y simular sistemas cuánticos.

Enfriar átomos equivale a ralentizarlos, lo que los hace mucho más fáciles de estudiar. A temperatura ambiente, átomos zumban por el aire a casi la velocidad del sonido, unos 343 metros por segundo. El rápido, Los átomos que se mueven aleatoriamente tienen solo interacciones fugaces con otras partículas, y su movimiento puede dificultar la medición de las transiciones entre niveles de energía atómica. Cuando los átomos se ralentizan, aproximadamente 0,1 metros por segundo, los investigadores pueden medir las transiciones de energía de las partículas y otras propiedades cuánticas con la suficiente precisión como para usarlas como estándares de referencia en una miríada de dispositivos de navegación y otros.

Durante más de dos décadas, Los científicos han enfriado los átomos bombardeándolos con luz láser, una hazaña por la que el físico del NIST Bill Phillips compartió el Premio Nobel de Física de 1997. Aunque la luz láser normalmente energizaría los átomos, haciendo que se muevan más rápido, si la frecuencia y otras propiedades de la luz se eligen cuidadosamente, sucede lo contrario. Al golpear los átomos, los fotones láser reducen el impulso de los átomos hasta que se mueven lo suficientemente lento como para ser atrapados por un campo magnético.

Pero para preparar la luz láser para que tenga las propiedades de enfriar átomos, normalmente se requiere un conjunto óptico del tamaño de una mesa de comedor. Eso es un problema porque limita el uso de estos átomos ultrafríos fuera del laboratorio, donde podrían convertirse en un elemento clave de sensores de navegación de alta precisión, magnetómetros y simulaciones cuánticas.

Ahora, el investigador del NIST William McGehee y sus colegas han ideado una plataforma óptica compacta, sólo unos 15 centímetros (5,9 pulgadas) de largo, que enfría y atrapa átomos gaseosos en una región de 1 centímetro de ancho. Aunque se han construido otros sistemas de refrigeración en miniatura, este es el primero que se basa únicamente en flat, o planar, óptica, que son fáciles de producir en masa.

"Esto es importante ya que demuestra un camino para hacer dispositivos reales y no solo pequeñas versiones de experimentos de laboratorio, "dijo McGehee. El nuevo sistema óptico, aunque todavía es diez veces más grande para caber en un microchip, es un paso clave hacia el empleo de átomos ultrafríos en una serie de compactos, Navegación basada en chips y dispositivos cuánticos fuera de un laboratorio. Investigadores del Joint Quantum Institute, una colaboración entre NIST y la Universidad de Maryland en College Park, junto con científicos del Instituto de Investigación en Electrónica y Física Aplicada de la Universidad de Maryland, también contribuyó al estudio.

El aparato, descrito en línea en el Nueva Revista de Física, consta de tres elementos ópticos. Primero, La luz se lanza desde un circuito óptico integrado mediante un dispositivo llamado convertidor de modo extremo. El convertidor agranda el rayo láser estrecho, inicialmente unos 500 nanómetros (nm) de diámetro (unas cinco milésimas del grosor de un cabello humano), a 280 veces ese ancho. El rayo agrandado luego golpea un cuidadosamente diseñado, película ultrafina conocida como "metasuperficie" que está salpicada de pilares diminutos, aproximadamente 600 nm de longitud y 100 nm de ancho.

Los nanopilares actúan para ensanchar aún más el rayo láser en otro factor de 100. El ensanchamiento espectacular es necesario para que el rayo interactúe de manera eficiente y enfríe una gran colección de átomos. Es más, al lograr esa hazaña dentro de una pequeña región del espacio, la metasuperficie miniaturiza el proceso de enfriamiento.

La metasuperficie da nueva forma a la luz de otras dos formas importantes, alterando simultáneamente la intensidad y polarización (dirección de vibración) de las ondas de luz. Ordinariamente, la intensidad sigue una curva en forma de campana, en el que la luz es más brillante en el centro del haz, con una caída gradual a ambos lados. Los investigadores del NIST diseñaron los nanopilares para que las pequeñas estructuras modifiquen la intensidad, creando un haz que tiene un brillo uniforme en todo su ancho. El brillo uniforme permite un uso más eficiente de la luz disponible. La polarización de la luz también es fundamental para el enfriamiento del láser.

La expansión El haz remodelado luego golpea una rejilla de difracción que divide el haz único en tres pares de haces iguales y dirigidos de manera opuesta. Combinado con un campo magnético aplicado, las cuatro vigas, empujando los átomos en direcciones opuestas, sirven para atrapar los átomos enfriados.

Cada componente del sistema óptico:el convertidor, la metasuperficie y la rejilla, se habían desarrollado en el NIST pero estaban en funcionamiento en laboratorios separados en los dos campus del NIST, en Gaithersburg, Maryland y Boulder, Colorado. McGehee y su equipo reunieron los distintos componentes para construir el nuevo sistema.

"Esa es la parte divertida de esta historia, ", dijo." Conocía a todos los científicos del NIST que habían trabajado de forma independiente en estos diferentes componentes, y me di cuenta de que los elementos se podían unir para crear un sistema de enfriamiento láser miniaturizado ".

Aunque el sistema óptico tendrá que ser 10 veces más pequeño para enfriar los átomos con láser en un chip, el experimento "es una prueba de principio de que se puede hacer, "Agregó McGehee.

"Por último, Hacer que la preparación de la luz sea más pequeña y menos complicada permitirá que existan tecnologías basadas en enfriamiento por láser fuera de los laboratorios, " él dijo.