Un equipo internacional de científicos dirigido por el Dr. Lucas Bruder, líder del grupo de investigación junior en el Instituto de Física de la Universidad de Friburgo, ha logrado crear y controlar directamente estados cuánticos híbridos electrón-fotón en átomos de helio. Para ello, generaron pulsos de luz ultravioleta de alta intensidad especialmente preparados utilizando el láser de electrones libres FERMI en Trieste, Italia. Los investigadores han logrado controlar los estados cuánticos híbridos utilizando una nueva técnica de conformación de pulsos láser. Sus resultados se publican en la revista Nature.
Los campos de luz intensos pueden crear nuevos estados cuánticos
Mientras los electrones estén unidos a un átomo, sus energías sólo pueden tener ciertos valores. Estos valores de energía dependen principalmente del átomo. Sin embargo, si un átomo está dentro de un rayo láser muy intenso, los niveles de energía cambian. Se forma un estado híbrido electrón-fotón, conocido como “estado vestido”. Ocurren con intensidades de láser en el rango de diez a cien billones de vatios por centímetro cuadrado. Para poder crear y controlar estos estados cuánticos especiales, se necesitan pulsos láser que alcancen tal intensidad en un corto período de sólo unas pocas billonésimas de segundo.
Láseres de electrones libres para generar radiación láser en el rango ultravioleta extremo
Para sus experimentos, los científicos utilizaron el láser de electrones libres FERMI, que permite generar luz láser en el rango espectral ultravioleta a intensidades muy altas. Esta radiación ultravioleta extrema tiene una longitud de onda de menos de 100 nanómetros, que es necesaria para cambiar el estado electrónico del átomo de helio.
Para controlar el estado electrón-fotón, los investigadores utilizaron pulsos láser que se expanden o contraen según la escena. Para ello ajustan el intervalo de tiempo de los diferentes componentes cromáticos de la radiación láser. Las características de los pulsos láser se controlaron mediante “pulsos láser semilla”, que condicionan la emisión de láseres de electrones libres.
“Nuestra investigación nos permite por primera vez controlar directamente estos estados cuánticos transitorios en un átomo de helio”, afirma Bruder. “La técnica que desarrollamos abre un nuevo campo de investigación: incluye nuevas oportunidades para hacer que los láseres de electrones libres sean más eficientes y selectivos para sondear, o para obtener nuevos conocimientos sobre sistemas cuánticos fundamentales, que son inaccesibles con la luz visible. Especialmente químicos con átomos precisión. Ahora puede ser posible desarrollar métodos para estudiar o incluso controlar la reacción”.