Dimitri Chafatinos es el primer autor de un paper sobre el desarrollo de un láser de sonido que se publicó en la revista Nature Communications. En este artículo responde cinco preguntas sobre el trabajo que realizó como maestrando y actual doctorando del Instituto Balseiro (IB) en el Laboratorio de Fotónica y Optoelectrónica del Centro Atómico Bariloche (CAB). En la actualidad, es becario doctoral en el IB en el mismo campo.

Fecha de publicación: 11/09/2020

“Polariton-Driven Phonon Laser” es el título del paper que se publicó el 11 de septiembre en el journal Nature Communications. Su primer autor, el estudiante de Doctorado en Física Dimitri Chafatinos, respondió preguntas de la sección “Papers en primera persona” del Área de Comunicación Institucional y Prensa del Instituto Balseiro para explicar de qué se trata esta investigación. Por lo general, en esta sección se suelen hacer sólo 5 preguntas, pero en este caso se hizo una excepción.

“Entre 2018 y 2019 llevé adelante la tesis de Maestría en Ciencias Físicas realizada en el Laboratorio de Fotónica y Optoelectrónica del CAB. En la actualidad soy becario doctoral en el mismo grupo ingresado este año e investigando en el mismo tema”, se presenta Chafatinos. Participó en mediciones del “láser de sonido” durante 2019, y algunas de las características del sistema fueron presentadas en su tesis de Maestría. “En el 2020 en el marco del Doctorado, se abordo en el análisis más detallado de los datos, se midió nueva información experimental y en largas discusiones de grupo se consiguio un mejor entendimiento de los mismos”, detalla.

Chafatinos es oriundo de la capital de Salta, tiene 24 años y es egresado de la Licenciatura en Física del IB, que es una institución de educación pública dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCUYO). Realizó la carrera de grado y Maestría con becas de la CNEA, y el doctorado lo hace en el IB con beca del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET). Su director de tesis de Maestría y Doctorado es el Dr. en Física Alejandro Fainstein.

“Comencé mis estudios de física a los 14 años de edad, en el Taller de Física al Alcance de Todos que se dictaban los sábados a la mañana por el profesor y gran amigo Daniel Córdoba, quien me contagió la pasión por la física. Desde entonces escuché nombrar mucho al IB. Más de un sábado, estudiantes salteños del IB (que volvían a visitar a sus familias) se pasaban por el taller a contarnos sus historia”, cuenta el joven.

-El paper está firmado por 8 investigadores, de Argentina y Alemania. ¿En qué consiste tu aporte?
-El carácter del artículo es principalmente experimental con aportes teóricos y de modelado que ayudan al entendimiento de los fenómenos estudiados. Los datos experimentales principales del artículo (sobre la emisión estimulada de vibraciones) fueron medidos en el Laboratorio de Fotónica y Optoelectronica (LPO) en el Centro Atómico Bariloche (CAB), en colaboración con el Laboratorio del Instituto Paul Drude (PDI) en Alemania. Es aquí donde entra “mi” aporte (lo pongo entre comillas porque detrás de ese “mi” hay muchas otras personas, instituciones y logros nacionales que fueron necesarios e imprescindibles para lograr tal aporte). Desde el laboratorio alemán fabricaron y nos enviaron un dispositivo (una microcavidad optica microestructurada) para que sea estudiada.

-¿Y tu trabajo en qué consistió?
-Mi labor consistió en armar un experimento de “micro-espectroscopía por fotoluminiscencia a temperaturas de criogenia” (cinco grados Kelvin), con el reto experimental de lograr focalizar un haz láser en arreglos ordenados de estructuras cuadradas de 2um (micrómetros) de lado, y con un espectrómetro de muy alta resolución espectral estudiar la luz que emite la muestra luego de ser excitada con el láser. El armado del experimento nos llevó un periodo de 3-4 meses de calibración y mejoras experimentales para realizar las primeras mediciones. Luego, para llegar a los resultados siguen muchos días y noches de realizar experimentos cambiando múltiples parámetros. Finalmente, hay un largo trabajo de análisis de datos y largas discusiones de grupo, básicamente lo que sigue después de medir es “entender todo lo que podamos” del sistema medido.

-¿Podrías explicar, de la manera más sencilla que puedas, en qué consiste el trabajo del paper, o sea, en la demostración experimental de un láser de fonones, o “de sonido” a partir de polaritones?
-En la pregunta se toca varios conceptos que son necesarios explicar antes de responder, para eso imaginemos el siguiente sistema: dos espejos planos enfrentados que forman una cavidad en el medio, donde la distancia entre ambos espejos determina la luz que puede “vivir” adentro (típicamente se conocen como cavidades de tipo Fabry-Perot). Entonces, se inyecta luz de un color característico de modo que viva dentro de la cavidad, y además se agregan átomos. La luz y los átomos dentro de la cavidad interactúan entre ellos, es decir, hay una “comunicación” energética entre ambas partes. Para estudiar la física por detrás, esto se modeliza como la misma cavidad (dos espejos) con partículas en su interior llamados polaritones, que son (cuasi) partículas compuestas por el acople entre la luz y los átomos.

-¿Polaritones?
-Sí, los polaritones tienen la particularidad de ser una partícula de tipo boson, y bajo ciertas condiciones (como por ejemplo bajas temperaturas, 5K) todas las partículas polaritonicas transicionan de fase llevando al sistema al quinto estado de la materia, un condensado de Bose-Einstein (algo similar sucede con el helio superfluido). En este estado, una importante cantidad de partículas se encuentra en el mismo nivel de energía coherente y responde de forma sincrónica, es decir, cuando uno libera energía las partículas vecinas liberarán la misma cantidad de energía. Cuando esto sucede, la interacción entre las partículas y los espejos se amplifica, los polaritones comienzan a “pechar” todos juntos los espejos causando la vibración de los mismos. Esa vibración se puede pensar como un pulmón respirando, es decir, ambos espejos se separan y se acercan resonantemente. Este cambio de la distancia de los espejos a su vez modifica la luz que puede “vivir” dentro de la cavidad, y por lo tanto modifica los niveles energéticos de los polaritones.

-¿Y luego qué pasa?
-Finalmente, la luz emitida por la cavidad no es sólo la correspondiente al condensado de polaritones, sino también a la modulación energética que produce las vibraciones en los espejos. Esto último es lo que le llaman estimulación coherente de fonones (vibraciones) que dan lugar al nombre del artículo presentado "Polariton-Driven Phonon Laser". En fin, en el sistema estudiado la fuerte interacción coherente entre los polaritones (luz y átomo) y los espejos producen las vibraciones resonantes de tipo “pulmón” lo que le llamamos “láser de sonido” o SASER (Sound Amplification by Stimulated Emission of Radiation, como LASER pero con S).

-¿Cuál consideras que ha sido el principal aporte que muestran en este paper?
-La investigación presentada abre las puertas al estudio de un nuevo sistema híbrido en el cual intervienen actores de distintos órdenes de magnitud energética. Esto es fundamental para los futuros computadores cuánticos, y en la transmisión de información y conversión energética de rangos de energía muy distantes. Esta investigación supera los límites actuales tecnológicos de altas frecuencias (del orden de ~1GHz), abordando el entendimiento y manipulación de muy altas frecuencias (~20 GHz), que podrán ser utilizadas en futuras tecnologías.

-¿Qué es lo que más te gustó de hacer este trabajo?
-El armado del experimento. En los meses que nos llevó armar la mesa experimental, nos topamos con muchos desafíos que teníamos que ir resolviendo en la marcha. Es como un gran juego, teníamos todos los “legos” solo había que armar, pero de vez en cuando alguna pieza (o varias piezas) no venía en la caja y había que hacer artesanías para avanzar.

-¿Cuáles son los siguientes pasos del grupo? ¿Y en tu caso, qué planes tenés?
-Este año comencé el Doctorado así que mi plan actual es continuar unos años más en el laboratorio trabajando con este sistema, seguir entendiéndolo y poder lograr la manipulación controlada del mismo, que son los mismos intereses del grupo. Actualmente estamos en la revisión de datos experimentales del año pasado y de este año tratando de entender lo más que podamos del sistema para así poder definir nuevos experimentos. Básicamente mi plan es continuar con el Doctorado y poder disfrutar de la Patagonia y sus montañas.

-¿Querés compartir algún recuerdo del taller “Física al Alcance de Todos” del Profe Daniel Córdoba, que te influyó para estudiar física?
-La frase que usualmente se repetía cuando estudiantes del Balseiro nos iban a visitar al taller era: “No somos inteligentes, yo tampoco entendía nada de física cuando entré al taller”. Incluso varios mencionaban que había llegado al taller porque se llevaban física en sus colegios. Escuchar esas historias, las anécdotas que nos contaban del IB y poder empatizar con alguien que también estuvo sentado en el anfiteatro los sábados por la mañana fue algo imprescindible para la decisión de presentarme al ingreso del IB; claro, además de estar apasionado con la física. Una frase que tengo muy presente del Cabezón (Daniel Cordoba) y me gustaria compartir: “El talento suma, pero la persistencia multiplica y la motivacion potencia”.

-¿Querés agregar algo más?
-El trabajo de investigación que publicamos en Nature Communications es mérito de la colaboración con el grupo alemán, el gran grupo de investigadores locales y además, algo no menor, es mérito tambien de la educación en una universidad pública, del Taller de Física al Alcance de Todos (del cual formé parte desde muy temprana edad) y de haber sido becado en los últimos años de mi carrera en el Instituto Balseiro. Me gustaría terminar remarcando la importancia de la investigación en Ciencia y Tecnología en la nación, y que es imprescindible que la misma sea política de estado.

Artículos vinculados:

*Investigadores de Argentina y Alemania crearon un “láser de sonido” a partir de polaritones BEC (11/09/2020)

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Área de Comunicación Institucional y Prensa

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Instituto Balseiro, San Carlos de Bariloche, 11/09/2020

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