Criado um Laser Quântico, formado por um único átomo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/04/2010

A cavidade óptica do laser quântico consiste de dois espelhos que aprisioname a armazenam os fótons emitidos pelo íon de cálcio. O íon é excitado ciclicamente por um laser externo e, em cada ciclo, um fóton é adicionado à cavidade, o que amplifica a luz.
[Imagem: Schmidt]

Cientistas da Universidade de Innsbruck, na Áustria, criaram um laser quântico, formado por um único átomo.

O laser quântico apresenta todas as propriedades de um laser clássico, mas também as propriedades da mecânica quântica da interação fóton-átomo.

O que é laser

Inventado há apenas 50 anos, hoje é difícil imaginar a vida sem as ondas de luz produzidas artificialmente dos raios laser. Os feixes de luz coerente tornaram-se parte integrante de equipamentos de telecomunicações, eletrodomésticos, aparelhos médicos e de pesquisas.

Um laser normalmente é formado por um meio de amplificação, que pode ser alimentado (bombeado) eletricamente ou opticamente, no interior de uma cavidade óptica altamente reflexiva - um ressonador, tipicamente formado por dois espelhos contrapostos.

Ao atingir o interior da cavidade, a luz reflete-se de um lado para o outro entre os dois espelhos, nos chamados modos, onde é amplificada repetidamente.

É bom lembrar que laser é uma sigla para Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ou Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação.

Laser clássico

Uma das principais características de um laser clássico é um acentuado aumento de potência de saída quando se atinge um certo limiar de bombeamento. Neste ponto, o ganho (a amplificação pelo meio) iguala as perdas que a luz sofre ao circular através da cavidade.

Este fenômeno é causado pela ampliação da interação entre a luz e os átomos: quanto mais fótons estão presentes em um modo, mais forte será a amplificação da luz nesse modo.

Esta emissão estimulada pode ser observada nos lasers macroscópicos, formados por inúmeros átomos e fótons.

Laser quântico

Os pesquisadores austríacos agora demonstraram que o limiar da emissão laser pode ser alcançado no menor bloco possível com que se pode construir um laser: um único átomo, que interage com um único modo em uma cavidade óptica.

Um único íon de cálcio é confinado em uma armadilha de íons e excitado por um laser externo. A cavidade óptica extremamente delicada consiste de dois espelhos, que aprisiona e acumula os fótons emitidos pelo íon em um modo.

O íon é excitado ciclicamente por um laser externo e, em cada ciclo, um fóton é adicionado ao modo da cavidade, amplificando a luz.

Mas aqui já há um comportamento típico da mecânica quântica, onde eventos discretos dão lugar aos eventos contínuos do mundo macroscópico: apenas fótons individuais podem ser introduzidos na cavidade.

Amplificador atômico

Um único íon de cálcio é aprisionado e excitado por lasers externos, formando um laser quântico.
[Imagem: C. Lackner]

Um laser quântico operando em um regime semelhante foi demonstrado há alguns anos. O que é novo neste experimento é a capacidade de ajustar o acoplamento do átomo para o modo da cavidade.

Escolhendo o parâmetro correto do laser de excitação, os físicos foram capazes de alcançar uma maior excitação e, consequentemente, adicionar mais fótons à cavidade.

Embora houvesse menos do que um fóton na cavidade, os pesquisadores observaram a emissão estimulada de luz na forma de um limiar. "Um átomo é um amplificador muito fraco. Como consequência, o limite é muito menos pronunciado do que nos lasers clássicos," explica Piet Schmidt, coautor da pesquisa.

Transição do quântico para o clássico

Uma excitação maior não resulta em uma saída mais potente do laser quântico, como acontece em um laser convencional, mas na supressão da saída, devido às interferências da mecânica quântica.

Isto constitui uma limitação intrínseca dos ultra miniaturizados lasers de um único átomo.

Agora os pesquisadores querem descobrir onde está a transição entre os lasers quânticos e os lasers clássicos lasers através da adição controlada de mais e mais íons interagindo com o campo de luz.

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