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El primer prototipo de láser super-radiente promete ser hasta 1000 veces más estable que el mejor de los láseres convencionales. Abriría las puertas a novedosas aplicaciones científicas.

El láser super-radiante se propuso hace ya muchos años. En concreto los primeros conceptos datan de 1954 por parte de Robert Dicke. Este sistema en teoría sería 1000 veces más estable que el láser convencional. Su consecución sería de gran importancia en la investigación científica en general.
Ahora James Thompson y sus colaboradores de la Universidad de Colorado en Boulder han conseguido el primer prototipo.
Para empezar, y por distinguirlo de lo que ya tenemos, es conveniente recordar en qué consiste un láser, que es algo más que una luz muy brillante. La palabra LASER corresponden a las sigas en ingles “luz amplificada mediante emisión estimulada de radiación”. Según esto no es más que una luz amplificada, pero el truco está en las palabras “emisión estimulada”. La idea de emisión estimulada viene de Albert Einstein. Veamos primero en qué consiste la emisión espontánea.
Los átomos pueden estar en su estado fundamental, que es el de mínima energía. Es el estado más estable posible y de él sólo escapan si se les suministra energía, por ejemplo en forma de luz, calor, colisiones, etc. Si esto ocurre pasan a un estado excitado de energía superior. Dependiendo de la cantidad de energía absorbida se alcanzará un diferente estado excitado. Los estados excitados son discretos estando cuantizados.
Pero los estados excitados son inestables y al cabo de un tiempo los átomos tienden a pasar a estados excitados de inferior energía y al estado fundamental, a través de una o varias transiciones, emitiendo fotones en cada transición cuya energía es la diferencia de energía entre estados. Es lo que se llama emisión espontánea, que puede darse en un tiempo que puede ser largo, incluso más de unos segundos.
Es aquí en donde la emisión estimulada juega un interesante papel. Si un átomo está, por ejemplo, en el primer estado excitado y un fotón cuya energía es igual a la diferencia de energía entre ese estado y el fundamental le impacta, entonces el átomo se ve “estimulado” a emitir un fotón idéntico en la misma dirección y sentido que el que incide. Su energía (y por tanto frecuencia) es la misma. El proceso produce dos fotones iguales el “antiguo” y el “nuevo”. Digamos que el recibir un fotón con la misma energía que el que produciría al desexcitarse desencadena la emisión de otro fotón igual al recibido de forma casi instantánea. En esto consiste la emisión estimulada, en contraposición a la emisión espontánea.
En un láser se trata de aprovechar al máximo este efecto en una especie de reacción en cadena. En la cavidad láser hay átomos excitados entre dos espejos paralelos, uno de ellos semi-reflectante. Algunos átomos se desexcitan y emiten fotones en dirección perpendicular a los espejos. Esos fotones van produciendo la emisión estimulada de los átomos excitados con los que se encuentran, produciendo una especie de efecto dominó con fotones, todos en la misma dirección y sentido. Esos fotones son reflejados por los espejos una y otra vez produciendo una avalancha de fotones por emisión estimulada. Parte de ellos escapan por el espejo semi-reflectante en forma de haz láser.
Añadamos que los fotones que en un principio son emitidos espontáneamente en otras direcciones distintas a la perpendicular a los espejos pueden producir algunas emisiones estimuladas, pero no son amplificadas por el sistema de espejos y se escapan por los lados, digamos que son pérdidas.
El sistema es un poco más complejo de lo descrito aquí pues se necesita “bombear” la cavidad para conseguir átomos en estado excitado y se tiene que mantener la inversión de población con más átomos excitados que desexcitados, pues de otro modo se absorberían los fotones producidos por emisión estimulada. Normalmente el sistema funciona además a través de varios estados excitados, siendo una de las transiciones la que lasea, a veces más de una.
Pero los espejos no son nunca perfectos, no están perfectamente alineados, la distancia entre ellos no se corresponde exactamente a un número entero de longitudes de onda que la luz emitida y, sobre todo, pueden vibrar. Esto hace que los fotones emitidos no tengan una frecuencia que sea absolutamente idéntica. Pero para ciertas aplicaciones a las que el ser humano está alcanzando se necesitaría aún más “pureza” en la luz láser. El efecto de la vibración es ya tan sensible que incluso alguien andando en el laboratorio de al lado o el tráfico en el exterior del edificio afecta a la pureza del láser.
Es aquí en donde entra el láser super-radiante. Thompson y sus colaboradores han conseguido el primero de estos láseres. Se trata de un prototipo y aún no es mejor que los mejores láseres convencionales, pero es un prueba de concepto. De hecho es millones de veces más débil que la luz del puntero láser que muchos usan para dar una charla y sólo funciona durante 120 milisegundos.
Estos investigadores tomaron un gas de rubidio y lo enfriaron hasta 20 microkelvins dentro de una cavidad con dos espejos. En este caso, a diferencia del láser convencional, casi no se producen reflexiones en los espejos y, por tanto, estos no introducen “ruido” en el sistema. De hecho sólo un 0,2% de fotones se mantienen en la cavidad. Para el bombeo usaron láseres convencionales y además crearon una red cristalina óptica unidimensional usando láseres convencionales de una frecuencia distinta.
La idea de la superradiación es poner de acuerdo a los átomos excitados para que todos emitan los fotones a la vez con la misma dirección, sentido y frecuencia. Esto no lo logran con una onda estacionaria definida por la cavidad entre los espejos, sino gracias a una onda estacionaria definida en el estado de polarización de los átomos. La idea se basa en la técnica denominada “phased arrays” o “formaciones en fase”, que permite crear ondas electromagnéticas sincronizando un gran grupo de antenas idénticas (en este caso átomos excitados).
Según Thompson “es parecido a lo que pasa en el mundo clásico pero con objetos cuánticos… Si alineas muchas antenas de radio y cada una emite un campo eléctrico oscilante puedes conseguir que todos los campos eléctricos se suman para construir una buena antena direccional. Del mismo modo los átomos individuales forman espontáneamente algo así como una formación de antenas en fase que te dan un haz láser muy direccional”.

Según Thompson, como estos átomos por emisión espontánea sólo emiten un fotón por segundo y la correlación entre todos ellos multiplica la emisión por 10.000 haciendo que sean super-radiantes, entonces este tipo de “emisión estimulada” encaja en la definición de láser (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation).
Estos investigadores creen que futuras mejoras de este concepto puedan proporcionar láseres super-radiantes que sean 1000 veces más estables que los mejores láseres convencionales. El próximo paso es usar átomos de estroncio, que pueden estar en estado excitado más tiempo.
Este nuevo tipo de láseres podrán usarse en relojes atómicos más precisos, en Geodesia, en GPS, en comunicaciones o en sistemas interferométricos ultraprecisos, como los que quieren usar en la detección de ondas gravitatorias. También se podrían usar como referencia para espectrómetros astronómicos o para poner de acuerdo telescopios situados en distintos puntos del mundo para así crear un sistema de gran abertura o en el espacio para así poder ver exoplanetas.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original
Foto: Burrus/NIST