Fin dalla sua invenzione, il laser è stato uno strumento prezioso in fisica. Si prevede che un laser atomico - con le onde luminose sostituite dalle onde quantistiche degli atomi - possa avere applicazioni altrettanto importanti, per esempio nella costruzione di orologi ultra precisi. Un team di ricerca guidato dal ricercatore UvA Florian Schreck ha compiuto importanti progressi verso la creazione del primo laser ad atomo continuo. I risultati della squadra sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica all'inizio di questa settimana.

In un normale laser, le onde luminose formano un cosiddetto stato coerente:quando queste onde escono dal laser, oscillano tutti esattamente allo stesso modo, con la stessa frequenza e la stessa fase. La meccanica quantistica ci dice che le particelle di cui siamo fatti, quark, elettroni e anche atomi interi, hanno anche proprietà ondulatorie. Ma gli atomi possono anche essere messi in uno stato coerente? O si può costruire un laser dove invece della luce brilliamo con gli atomi?

Che la risposta teorica a questa domanda sia "sì" è un fatto che qualsiasi studente di fisica può facilmente dimostrare. Infatti, disporre di un dispositivo del genere sarebbe estremamente utile:le vibrazioni collettive degli atomi potrebbero essere utilizzate ad esempio per misurare orologi atomici ultra precisi. Però, trasformare la teoria in un dispositivo funzionante non è così facile come sembra. Finora, i laser atomici sono stati creati estraendo un fascio di atomi da un cosiddetto condensato di Bose-Einstein, una nuvola di gas a temperatura molto bassa in cui tutti gli atomi sono nello stesso stato d'onda quantistica. Però, mettere gli atomi nello stesso stato risolve solo una parte del problema. Per la maggior parte delle applicazioni di un laser atomico, hanno bisogno di lavorare continuamente. La vera sfida è quindi portare gli atomi nello stesso stato d'onda abbastanza rapidamente, in modo che il laser atomico abbia accesso a una fornitura continua di queste particelle coerenti.

La creazione di un condensato di Bose-Einstein in genere comporta il raffreddamento di un gas in più fasi nell'arco di decine di secondi. Però, il raggio laser dell'atomo estratto dura solo finché gli atomi rimangono nel condensato, tipicamente un tempo molto più breve di sole frazioni di secondo. Dopo quella frazione di secondo, deve essere effettuata una nuova fornitura, che richiede ancora decine di secondi - e così via.

Schreck e il suo team, il postdoc Benjamin Pasquiou e i dottorandi Shayne Bennetts e Chun-Chia Chen, ora proponiamo di ottenere una fornitura continua separando le diverse fasi di raffreddamento nello spazio anziché nel tempo. Ogni fase si svolge in una posizione diversa:gli atomi vengono raffreddati da normali laser mentre sono in viaggio verso il luogo in cui verrà creato il raggio laser dell'atomo finale. Il team riesce a farlo facendo un uso intelligente delle proprietà speciali dello stronzio, un elemento con la giusta struttura elettronica per essere raffreddato lentamente, passo dopo passo, mentre è "in movimento".

Usando i loro metodi, Schreck e collaboratori sono ora riusciti a implementare le prime fasi del raffreddamento continuo, portando all'esistenza permanente di una nube di gas che è molto più fredda e molto più densa di qualsiasi tentativo precedente. Hanno inoltre dimostrato che il loro schema fornisce atomi freddi sufficienti per essere compatibili con la creazione di un condensato di Bose Einstein continuamente esistente. Il passaggio finale è ovviamente quello di realizzare un laser atomico utilizzando questo condensato permanente, un passaggio che secondo Schreck dovrebbe avvenire entro il prossimo anno. Ciò realizzerebbe il suo sogno:creare un laser atomico che non ha mai bisogno di fermarsi per ricaricarsi.