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(Noticias de Nanowerk) Conseguir que los átomos hagan lo que quieres no es fácil, pero está en el corazón de muchas investigaciones pioneras en física.
Generar y controlar el comportamiento de nuevas formas de materia es de particular interés y un área activa de investigación. Nuestro nuevo estudio, publicado en Cartas de verificación física («Control of Light-Atom Solitons and Atomic Transport by Optical Vortex Beams Propagating through a Bose-Einstein Condensate») ha descubierto una nueva forma de dar forma a átomos ultrafríos con 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 ver y estudiar fenómenos físicos que de otro modo serían imposibles. A estas temperaturas más frías que el espacio, los grupos de átomos forman un nuevo estado de la materia (no sólido, líquido o gaseoso) conocido como condensados de Bose-Einstein (BEC). En 2001, los físicos recibieron el Premio Nobel por crear tal condensado.
La característica definitoria de un BEC es que sus átomos se comportan de manera muy diferente a lo que normalmente esperamos. En lugar de actuar como partículas independientes, todas tienen la misma energía (muy baja) y están sintonizadas entre sí.
Esto es similar a la diferencia entre los fotones (partículas de luz), que provienen del sol y pueden tener muchas longitudes de onda (energías) diferentes y oscilar de forma independiente, y los rayos láser, que tienen la misma longitud de onda y oscilan juntos.
En este nuevo estado de agregación, los átomos se parecen mucho más a una única estructura ondulada que a una colección de partículas individuales. Los investigadores han podido detectar patrones de interferencia similares a ondas entre dos BEC diferentes e incluso crear «gotas de BEC» en movimiento. Este último puede considerarse como el equivalente atómico de un rayo láser.
gotitas en movimiento
En nuestro último estudio, realizado con nuestros colegas Gordon Robb y Gian-Luca Oppo, investigamos cómo se pueden usar rayos láser de formas especiales para manipular átomos ultrafríos de un BEC. La idea de utilizar 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 detrás de la idea de las velas solares, donde la fuerza ejercida por la luz solar sobre grandes espejos puede usarse para impulsar una nave espacial a través del espacio.
En este estudio, sin embargo, utilizamos un tipo específico de luz que no solo puede «empujar» los átomos, sino que también puede girarlos, un poco como una «llave inglesa óptica». Estos rayos láser se parecen más a anillos brillantes (o donas) que a puntos y tienen un frente de onda retorcido (helicoidal) como se muestra en la imagen a continuación.
![El momento angular orbital portador de luz (OAM, m)](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61339_1.jpg)
En las condiciones adecuadas, cuando una luz tan retorcida brilla sobre un BEC en movimiento, los átomos que contiene son atraídos primero por el anillo brillante antes de rotar a su alrededor. A medida que los átomos giran, tanto la luz como los átomos comienzan a formar gotas que orbitan en la dirección original del rayo láser antes de ser expulsadas hacia afuera, lejos del anillo.
El número de gotas es igual al doble del número de vueltas fáciles. Al cambiar el número o la dirección de los giros en el rayo láser inicial, teníamos control total sobre el número de gotas que se formaban, así como la velocidad y la dirección de su rotación posterior (ver la figura a continuación). Incluso pudimos evitar que las gotas atómicas escaparan del anillo, por lo que continúan en órbita mucho más tiempo, creando una especie de corriente atómica ultra fría.
![Un gráfico que muestra cómo la luz retorcida brilla en un BEC en movimiento](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61339_2.jpg)
Corrientes atómicas ultrafrías
Este enfoque de hacer brillar una luz retorcida a través de átomos ultrafríos abre una forma nueva y sencilla de controlar la materia y moldearla en formas más complejas y no convencionales.
Una de las aplicaciones potenciales más emocionantes de los BEC es la creación de ‘circuitos atomtrónicos’, donde las ondas de materia de átomos ultrafríos son guiadas y manipuladas por campos ópticos y/o magnéticos para formar equivalentes avanzados de circuitos electrónicos y dispositivos como transistores y diodos. La capacidad de manipular de forma fiable la forma de un BEC ayudará en última instancia a crear circuitos atomtrónicos.
Actuando aquí como un ‘dispositivo de interferencia cuántica superconductora atomtrónica’, nuestros átomos ultrafríos tienen el potencial de proporcionar dispositivos muy superiores a la electrónica tradicional. Esto se debe a que los átomos neutros provocan menos pérdida de información que los electrones, que normalmente forman electricidad. También tenemos la posibilidad de cambiar características del dispositivo más fácilmente.
Sin embargo, lo más emocionante es el hecho de que nuestro método nos permite fabricar circuitos atomtrónicos complejos que serían simplemente imposibles de diseñar con materiales normales. Esto podría ayudar a desarrollar sensores cuánticos altamente controlables y fácilmente reconfigurables capaces de medir campos magnéticos diminutos que de otro modo serían imposibles de medir. Dichos sensores serían útiles en áreas que van desde la investigación física básica hasta el descubrimiento de nuevos materiales o la medición de señales del cerebro.
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