El láser de átomos artificiales hace su debut

El primer láser en ser construido a partir de un sistema cuántico diseñado artificialmente ha sido presentado por unos investigadores japoneses. El láser de microondas (máser) es también único debido a que usa un único átomo artificial — una diminuta pieza de superconductor — para crear un campo coherente de múltiples fotones, al contrario que los lásers convencionales que usan muchos átomos o moléculas. Los investigadores creen que tal avance podría llevar al desarrollo de dispositivos ajustables muy pequeños que podrían integrarse en chips como fuentes de microondas o amplificadores (Nature 449 588).

Oleg Astafiev y sus colegas de los Laboratorios de Investigación Nanoelectrónica de NEC y el Laboratorio Nacional RIKEN de Japón han construido un máser colocando una “isla” nanométrica de aluminio superconductor en un extremo de un resonador de microondas que tiene pocos milímetros de longitud. Los electrones del superconductor están en “pares de Cooper”. Sin embargo, si se aplica un voltaje a la isla, el par puede romperse dejando inmediatamente a la isla con una vía de conducción y el otro siendo promocionado a un estado de energía más alto.

Tras algún tiempo, el segundo electrón también sale, dejando a la isla en un estado de energía intermedio. Este estado decae finalmente emitiendo un fotón de microonda en un resonador, donde el fotón queda atrapado como una onda estacionaria. El fotón atrapado puede entonces estimular la emisión de otro fotón de la isla, llenando rápidamente el resonador con múltiples fotones coherentes.

Este proceso de amplificación es similar al que tiene lugar en un máser convencional – pero en lugar de involucrar a muchos átomos o moléculas idénticos, el proceso involucra sólo a un átomo artificial – la isla superconductora. Astafiev dijo a physicsworld.com que esto da al dispositivo varias ventajas tecnológicas sobre los másers convercionales. Una de estas es que la longitud de onda de las microondas puede ajustarse con gran precisión simplemente variando los voltajes que se aplican a la isla. Esto es improbable en los másers convencionales, lo cual produce microondas a longitudes de onda fijadas por los niveles de energía de los átomos o moléculas constituyentes.

El dispositivo requiere un voltaje de corriente continua para funcionare — al contrario que los másers convencionales, lo cual requiere de una fuente de energía de radiofrecuencia externa. Como resultado, todo el sistema de máser puede ser muy pequeño y generar muy poco calor. Esto lo hace relativamente fácil para operar a temperaturas cercanas a 1 K, donde el aluminio es superconductor.

De acuerdo con Astafiev, el máser podría usarse para crear fuentes de microondas ajustables y amplificadores que se integren en chips de silicio. Tales dispositivos podrían usarse para el estudio de la dinámica molecular y otras propiedades de la materia. También cree que un máser de un único átomo podría usarse como fuente de fotones coherentes en ordenadores cuánticos que están basados en los bits cuánticos de supercomputación (qubits). Efectivamente, el equipo de NEC– RIKEN ha estado creando qubits a partir de islas diminutas de superconductores desde 1999.


Autor: Hamish Johnston
Fecha Original: 5 de octubre de 2007
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Comments (2)

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