Los físicos de JILA han demostrado un novedoso diseño de láser basado en emisiones sincronizadas de luz del mismo tipo de átomos utilizados en relojes atómicos avanzados. El láser podría ser lo suficientemente estable como para mejorar el rendimiento del reloj atómico hasta cien veces e incluso servir como un reloj en sí mismo, mientras quetambién avanzando otras misiones científicas como hacer "gobernantes" precisos para medir distancias astronómicas.
Descrito en la edición del 14 de octubre de Avances científicos , se espera que la salida de luz roja del láser "superradiante" sea aproximadamente 10,000 veces menos sensible que el láser convencional a las vibraciones mecánicas penetrantes o al ruido. Como resultado, el nuevo láser puede bloquearse en una frecuencia o color exacto, másfirmemente, haciéndolo 100 veces más nítido como herramienta de precisión.
El trabajo se realizó en JILA, una asociación del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y la Universidad de Colorado Boulder. NIST ha sido durante mucho tiempo un líder mundial en el desarrollo de láseres ultraestables, y el nuevo trabajo proporciona una cualitativamentenuevo enfoque para avanzar más en el campo.
El mismo grupo JILA demostró el principio básico para un láser superradiante en 2012. Ahora los científicos han construido el láser utilizando el mismo tipo de átomos utilizados en el reloj de celosía de estroncio líder mundial de JILA. De hecho, el nuevo láser podría usarse comoun reloj atómico por sí solo.
Se eligieron los átomos de estroncio porque tienen una excelente "memoria" de su color o frecuencia exactos. Potencialmente pueden almacenar esta información durante 2.5 minutos, en comparación con las meras 100 billonésimas de segundo de átomos típicos. Esto permite que el láser superradiantealmacena y protege la mayor parte de la información de color del láser dentro de los átomos. Por el contrario, los láseres comunes almacenan esta información en la luz que rebota entre dos espejos, y cualquier vibración de espejo la revuelve. La capacidad de mantener una frecuencia precisa es crucial para aplicaciones como relojes atómicos,que dependen de los láseres para hacer que los átomos "marquen" de un estado de energía a otro.
"Pero aquí está el problema: la memoria muy larga de los átomos es asombrosa, pero también hace que sea extremadamente difícil hacer que los átomos emitan luz, lo que nos proporciona la información para que la usemos", dijo el científico de JILA / NISTJames Thompson. "Pero en este láser superradiante, por primera vez, hemos convencido a estos átomos para que emitan su luz 10.000 veces más rápido de lo que normalmente les gustaría emitir".
El láser superradiante de JILA utiliza 200,000 átomos de estroncio apilados en capas de 5,000 y atrapados en un recinto hueco, una cavidad, entre dos espejos estos espejos vibran, pero la información de frecuencia se almacena en los átomos.a temperaturas cercanas al cero absoluto y levitado en el vacío por una red óptica, un "cristal de luz" creado por la intersección de rayos láser externos.
El experimento comienza iluminando brevemente los átomos para prepararlos en su estado excitado o de alta energía de larga duración. Una señal ambiental - ruido cuántico del espacio vacío - hace que los átomos de estroncio comiencen a funcionar espontáneamente comosus electrones externos comienzan a rebotar de un lado a otro del átomo. La oscilación es como una antena en miniatura que irradia una cantidad muy pequeña de luz hacia la cavidad. Esta luz muy débil, que consta de solo unas pocas partículas de luz, o fotones, que se mueven de un lado a otro dentro de la cavidad, permiten que los átomos se comuniquen y se sincronicen entre sí. Este fenómeno de sincronización también es evidente en los relojes de péndulo colocados uno cerca del otro, e incluso en el parpadeo de las luciérnagas.
A medida que la sincronización se extiende y se fortalece, se emite más y más luz, hasta que finalmente todos los teatros se hayan movido de un estado excitado de alta energía a un estado tranquilo de baja energía. La luz rebota entre los espejos de casi 30,000veces antes de filtrarse a través de los espejos. Toda la energía inicialmente almacenada dentro de los átomos se ha convertido en un pulso de luz láser que dura 50 centésimas de segundo.
Cuando se sincroniza, la colección de antenas pequeñas actúa como una sola "súper antena" que transmite energía a la cavidad a una velocidad mucho más alta de lo normal, un proceso llamado superradiancia porque la emisión colectiva es 1,000 veces más intensa que los átomos que irradian independientementeLa tasa de emisión aumenta proporcionalmente al número de átomos al cuadrado, haciendo que el láser sea mucho más brillante de lo que es posible sin sincronización.
Los estudios futuros investigarán el uso de la luz láser superradiante pulsada como referencia de frecuencia absoluta para aplicaciones tales como relojes atómicos. Además, los investigadores esperan crear un rayo láser superradiante continuo devolviendo constantemente los átomos al estado excitado.
"La luz láser superradiante sigue siendo miles de millones de veces más débil que los láseres típicos, pero el punto clave es que el color o la frecuencia de la luz debe ser muy estable", dijo Thompson.
Tal láser podría ser tan estable como los átomos utilizados en los relojes más avanzados. Los mejores relojes atómicos de hoy están limitados en parte por el ruido del láser. Debido a que un láser superradiante utiliza esencialmente un reloj atómico como fuente de energía, tanto la luz láserlee el tictac de los átomos y es inmune a las vibraciones de los espejos de la cavidad. Los mejores láseres también pueden tener aplicaciones en la ciencia espacial, tal vez como gobernantes de la luz que podrían alcanzar distancias tan vastas como desde la Tierra hasta el Sol, lo que podría permitir la detección de la gravedad.olas en el espacio, por ejemplo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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