El láser más estable del mundo

Un nuevo resonador de silicio mantiene la frecuencia del láser más estable que nunca, un importante avance para la mejora de los relojes atómicos.

Su desarrollo, es importante para la espectroscopía óptica de alta resolución, por ejemplo de átomos ultrafríos. Pero, sobre todo, ahora está disponible un láser de investigación para su uso en relojes atómicos ópticos.

Los relojes atómicos ópticos necesitan fuentes láser que radien luz con una frecuencia extremadamente constante. Los sistemas láser comerciales no sirven para este propósito sin añadir elementos extra. Sin embargo, esto se puede llevar a cabo estabilizándolos, por la ayuda por ejemplo, de resonadores ópticos. Estos se componen de dos espejos altamente reflectantes que se mantienen a distancias fijas por medio de un espaciador. En analogía con un órgano, la longitud del resonador determina la frecuencia a la que la luz puede oscilar en él. En consecuencia, un resonador con una gran longitud estable es lo que se necesita para un láser estable, por ejemplo, la distancia entre espejos debe mantenerse lo más constante posible.

Los modernos sistemas láser con estabilización por resonador han sido técnicamente desarrollados hasta tal punto que su estabilidad está solo limitada por el ruido termal de los resonadores. Similar al movimiento browmoniano de moléculas, los átomos del resonador están en constante movimiento y estan, por tanto, limitados por la estabilidad en su longitud. Hasta ahora, los resonadores estaban hechos de cristal, cuya desorden y "suavidad" en la estructura del material da lugar a movimientos particularmente fuertes. Para el nuevo resonador, los investigadores usaron silicio de un solo cristal, un material particularmente duro y por tanto, que provoca poco ruido. Enfriado a 124 K (-149 º Celsius), el silicio se caracteriza por una extremadamente pequeña expansión termal, y el ruido termal restante además se reduce. Para operar el resonador a esta temperatura, los investigadores tuvieron que diseñar un criostato adecuado para bajas vibraciones. El resultado es algo de lo que pueden estar orgullosos: las medidas comparativas con los dos resonadores de cristal permitieron a los científicos demostrar una estabilidad de frecuencia sin igual de 1x10^-16 para el láser estabilizado con el resonador de silicio.

Esto permite eliminar un importante obstáculo para el desarrollo de mejores relojes atómicos ópticos, ya que la estabilidad de los láseres usados es un punto crítico. El "péndulo", por ejemplo, el sistema de balanceo de ese tipo de reloj, es una estrecha línea de absorción óptica en un átomo o ion, cuya frecuencia de transición es leída por el láser. La anchura de la línea de dichas transiciones habitualmente ocupa unos pocos milihercios, un valor que no puede alcanzarse con los resonadores de cristal por su limitada estabilidad en la longitud.

Ahora esto es posible. El láser estabilizado con el resonador de silicio alcanza una anchura de línea de menos de 40 mHz y puede, por tanto, contribuir a nuevos desarrollos de relojes atómicos ópticos. Este trabajo puede beneficiar también a la espectroscopía óptica de precisión.

Via Physikalisch-Technische Bundesanstalt