Refrigeración por láser
Técnica de enfriamiento en física atómica
Una fotografía de átomos de litio enfriados por láser. La mancha brillante corresponde a aproximadamente 7 mil millones de átomos de litio que dispersan la luz de 671 nm utilizada para enfriarlos con láser a unos pocos cientos de microkelvin. La nube tiene una extensión de aproximadamente 5 mm. En primer plano se puede ver una ventana del sistema de vacío donde está atrapado el litio junto con la óptica de soporte. Estos átomos de litio se enfrían más tarde para formar un condensado de Bose-Einstein .
Vídeo de átomos de litio enfriados por láser que se cargan en una trampa magnetoóptica desde un reactor más lento Zeeman .

El enfriamiento por láser incluye varias técnicas en las que los átomos , las moléculas y los pequeños sistemas mecánicos se enfrían con luz láser. La energía dirigida de los láseres a menudo se asocia con el calentamiento de materiales, por ejemplo, el corte por láser , por lo que puede resultar contradictorio que el enfriamiento por láser a menudo dé como resultado temperaturas de muestra cercanas al cero absoluto . Es un paso rutinario en muchos experimentos de física atómica en los que los átomos enfriados por láser se manipulan y miden posteriormente, o en tecnologías, como las arquitecturas de computación cuántica basadas en átomos. El enfriamiento por láser se basa en el cambio de momento cuando un objeto, como un átomo, absorbe y reemite un fotón (una partícula de luz). Por ejemplo, si la luz láser ilumina una nube cálida de átomos desde todas las direcciones y la frecuencia del láser está sintonizada por debajo de una resonancia atómica, los átomos se enfriarán. Este tipo común de enfriamiento por láser se basa en el efecto Doppler , donde los átomos individuales absorberán preferentemente la luz láser desde la dirección opuesta al movimiento del átomo. La luz absorbida es reemitida por el átomo en una dirección aleatoria. Después de repetidas emisiones y absorciones de luz, el efecto neto sobre la nube de átomos es que se expandirán más lentamente. La expansión más lenta refleja una disminución en la distribución de velocidad de los átomos, lo que corresponde a una temperatura más baja y, por lo tanto, los átomos se han enfriado. Para un conjunto de partículas, su temperatura termodinámica es proporcional a la variación en su velocidad; por lo tanto, cuanto menor sea la distribución de velocidades, menor será la temperatura de las partículas.

El Premio Nobel de Física de 1997 fue otorgado a Claude Cohen-Tannoudji , Steven Chu y William Daniel Phillips "por el desarrollo de métodos para enfriar y atrapar átomos con luz láser". [1]

Historia

Presión de radiación

La presión de radiación es la fuerza que ejerce la radiación electromagnética sobre la materia. En 1873, Maxwell publicó su tratado sobre electromagnetismo en el que predijo la presión de radiación. [2] La fuerza fue demostrada experimentalmente por primera vez por Lebedev y reportada en una conferencia en París en 1900, [3] y luego publicada con más detalle en 1901. [4] Después de las mediciones de Lebedev, Nichols y Hull también demostraron la fuerza de la presión de radiación en 1901, [5] con una medición refinada reportada en 1903. [6] [7]

Los átomos y las moléculas tienen estados ligados y pueden producirse transiciones entre estos estados en presencia de luz. El sodio es históricamente notable porque tiene una fuerte transición a 589 nm, una longitud de onda que está cerca de la sensibilidad máxima del ojo humano. Esto hizo que fuera fácil ver la interacción de la luz con los átomos de sodio. En 1933, Otto Frisch desvió un haz atómico de átomos de sodio con luz. [8] Esta fue la primera vez que se descubrió la presión de radiación que actúa sobre un átomo o molécula.

Propuestas de refrigeración por láser

La introducción de láseres en experimentos de física atómica fue el precursor de las propuestas de enfriamiento láser a mediados de la década de 1970. El enfriamiento láser fue propuesto por separado en 1975 por dos grupos de investigación diferentes: Hänsch y Schawlow , [9] y Wineland y Dehmelt . [10] Ambas propuestas describieron el proceso de enfriamiento láser más simple, conocido como enfriamiento Doppler , donde la luz láser sintonizada por debajo de la frecuencia de resonancia de un átomo es absorbida preferentemente por los átomos que se mueven hacia el láser y después de la absorción se emite un fotón en una dirección aleatoria. Este proceso se repite muchas veces y en una configuración con luz de enfriamiento láser contrapropagante se reduce la distribución de velocidad de los átomos. [11]

En 1977, Ashkin presentó un artículo en el que describía cómo se podía utilizar el enfriamiento Doppler para proporcionar la amortiguación necesaria para cargar átomos en una trampa óptica. [12] En este trabajo, destacó cómo esto podría permitir mediciones espectroscópicas prolongadas que aumentarían la precisión porque los átomos se mantendrían en su lugar. También analizó las trampas ópticas superpuestas para estudiar las interacciones entre diferentes átomos.

Realizaciones iniciales

En 1978, tras las propuestas de refrigeración por láser, dos grupos de investigación formados por Wineland, Drullinger y Walls, del NIST, y Neuhauser, Hohenstatt, Toscheck y Dehmelt, de la Universidad de Washington, consiguieron enfriar átomos mediante láser. El grupo del NIST quería reducir el efecto del ensanchamiento Doppler sobre la espectroscopia. Enfriaron iones de magnesio en una trampa de Penning a temperaturas inferiores a 40 K. El grupo de Washington enfrió iones de bario. La investigación de ambos grupos sirvió para ilustrar las propiedades mecánicas de la luz. [11]

Influenciado por el trabajo de Wineland sobre enfriamiento de iones mediante láser, William Phillips aplicó los mismos principios para enfriar con láser átomos neutros. En 1982, publicó el primer artículo en el que se enfriaron átomos neutros con láser. [13] El proceso utilizado se conoce ahora como el proceso de ralentización Zeeman y es una técnica estándar para ralentizar un haz atómico.

Avances modernos

Átomos

El número acumulado de sistemas atómicos únicos, incluidos diferentes estados de ionización (rojo) e isótopos únicos (azul) que se han enfriado con láser en función del año.

El límite de enfriamiento Doppler para las transiciones dipolares eléctricas se encuentra típicamente en cientos de microkelvins. En la década de 1980, este límite se consideró como la temperatura más baja alcanzable. Fue una sorpresa entonces cuando los átomos de sodio se enfriaron a 43 microkelvin cuando su límite de enfriamiento Doppler es de 240 microkelvin, [14] esta baja temperatura imprevista se explicó considerando la interacción de la luz láser polarizada con más estados atómicos y transiciones. Se decidió que las concepciones anteriores del enfriamiento láser habían sido demasiado simplistas. [15] Los principales avances en enfriamiento láser en los años 70 y 80 llevaron a varias mejoras en la tecnología preexistente y nuevos descubrimientos con temperaturas justo por encima del cero absoluto . Los procesos de enfriamiento se utilizaron para hacer que los relojes atómicos fueran más precisos y para mejorar las mediciones espectroscópicas, y llevaron a la observación de un nuevo estado de la materia a temperaturas ultra frías. [16] [15] El nuevo estado de la materia, el condensado de Bose-Einstein , fue observado en 1995 por Eric Cornell , Carl Wieman y Wolfgang Ketterle . [17]

Átomos exóticos

La mayoría de los experimentos de enfriamiento por láser llevan los átomos casi al estado de reposo en el marco del laboratorio, pero también se ha logrado enfriar átomos relativistas, donde el efecto del enfriamiento se manifiesta como un estrechamiento de la distribución de velocidad. En 1990, un grupo de la JGU enfrió con éxito mediante láser un haz de 7 Li + a13,3 MeV en un anillo de almacenamiento [18] de260 K a menos de2,9 K , utilizando dos láseres que se propagan en sentido contrario y que abordan la misma transición, pero a514,5 nm y584,8 nm , respectivamente, para compensar el gran desplazamiento Doppler .

También se ha demostrado el enfriamiento por láser de la antimateria, por primera vez en 2021 por la colaboración ALPHA sobre átomos de antihidrógeno. [19]

Moléculas

Las moléculas son mucho más difíciles de enfriar con láser que los átomos porque las moléculas tienen grados de libertad vibracionales y rotacionales. Estos grados de libertad adicionales dan como resultado más niveles de energía que pueden completarse a partir de desintegraciones de estados excitados, lo que requiere más láseres en comparación con los átomos para abordar la estructura de niveles más complejos. Las desintegraciones vibracionales son particularmente desafiantes porque no existen reglas de simetría que restrinjan los estados vibracionales que pueden completarse.

En 2010, un equipo de Yale enfrió con éxito mediante láser una molécula diatómica . [20] En 2016, un grupo de MPQ enfrió con éxito el formaldehído a420 μK mediante enfriamiento optoeléctrico Sisyphus. [21] En 2022, un grupo de Harvard enfrió con éxito con láser y atrapó CaOH para720(40) μK en una trampa magneto-óptica . [22]

Sistemas mecánicos

A partir de la década de 2000, el enfriamiento por láser se aplicó a pequeños sistemas mecánicos, desde pequeños voladizos hasta los espejos utilizados en el observatorio LIGO . Estos dispositivos están conectados a un sustrato más grande, como una membrana mecánica unida a un marco, o se mantienen en trampas ópticas; en ambos casos, el sistema mecánico es un oscilador armónico. El enfriamiento por láser reduce las vibraciones aleatorias del oscilador mecánico, eliminando los fonones térmicos del sistema.

En 2007, un equipo del MIT enfrió con éxito mediante láser un objeto de escala macro (1 gramo) a 0,8 K. [23] En 2011, un equipo del Instituto Tecnológico de California y la Universidad de Viena se convirtió en el primero en enfriar con láser un objeto mecánico (10 μm × 1 μm) a su estado fundamental cuántico. [24]

Métodos

El primer ejemplo de enfriamiento por láser, y todavía el método más común (tanto que todavía se lo suele llamar simplemente "enfriamiento por láser") es el enfriamiento Doppler .

Enfriamiento Doppler

Principio simplificado del enfriamiento del láser Doppler:
1 Un átomo estacionario no ve el láser desplazado ni al rojo ni al azul y no absorbe el fotón.
2 Un átomo que se aleja del láser lo ve desplazado al rojo y no absorbe el fotón.
31 Un átomo que se mueve hacia el láser lo ve desplazado hacia el azul y absorbe el fotón, lo que ralentiza el átomo.
32 El fotón excita el átomo, moviendo un electrón a un estado cuántico superior.
33 El átomo vuelve a emitir un fotón, pero en una dirección aleatoria. Los vectores de momento del átomo se sumarían al original si estuvieran en la misma dirección, pero no es así, por lo que el átomo ha perdido energía y, por lo tanto, se ha enfriado.

El enfriamiento Doppler, que suele ir acompañado de una fuerza de atrapamiento magnético para formar una trampa magneto-óptica , es, con diferencia, el método más común de enfriamiento por láser. Se utiliza para enfriar gases de baja densidad hasta el límite de enfriamiento Doppler , que para el rubidio -85 es de unos 150 microkelvins.

En el enfriamiento Doppler, inicialmente, la frecuencia de la luz se sintoniza ligeramente por debajo de una transición electrónica en el átomo . Debido a que la luz está desafinada al "rojo" (es decir, a una frecuencia más baja) de la transición, los átomos absorberán más fotones si se mueven hacia la fuente de luz, debido al efecto Doppler . Por lo tanto, si se aplica luz desde dos direcciones opuestas, los átomos siempre dispersarán más fotones del haz láser que apunta en dirección opuesta a su dirección de movimiento. En cada evento de dispersión, el átomo pierde un momento igual al momento del fotón. Si el átomo, que ahora está en el estado excitado, emite un fotón espontáneamente, será expulsado por la misma cantidad de momento, pero en una dirección aleatoria. Como el cambio inicial de momento es una pérdida pura (opuesta a la dirección del movimiento), mientras que el cambio posterior es aleatorio, el resultado probable del proceso de absorción y emisión es reducir el momento del átomo y, por lo tanto, su velocidad , siempre que su velocidad inicial sea mayor que la velocidad de retroceso al dispersar un solo fotón. Si la absorción y la emisión se repiten muchas veces, la velocidad promedio y, por lo tanto, la energía cinética del átomo, se reducirán. Como la temperatura de un grupo de átomos es una medida de la energía cinética interna aleatoria promedio, esto es equivalente a enfriar los átomos.

Otros métodos

Otros métodos de enfriamiento por láser incluyen:

Aplicaciones

El enfriamiento por láser es muy común en el campo de la física atómica. Reducir el movimiento aleatorio de los átomos tiene varias ventajas, incluida la capacidad de atrapar átomos con campos ópticos o magnéticos. Las mediciones espectroscópicas de una muestra atómica fría también reducirán las incertidumbres sistemáticas debidas al movimiento térmico.

A menudo se utilizan múltiples técnicas de enfriamiento por láser en un solo experimento para preparar una muestra fría de átomos, que luego se manipula y se mide. En un experimento representativo, se genera un vapor de átomos de estroncio en un horno caliente que sale del horno como un haz atómico. Después de salir del horno, los átomos se enfrían Doppler en dos dimensiones transversales a su movimiento para reducir la pérdida de átomos debido a la divergencia del haz atómico. Luego, el haz atómico se ralentiza y se enfría con un ralentizador Zeeman para optimizar la eficiencia de carga de átomos en una trampa magnetoóptica (MOT), que enfría los átomos por Doppler, que opera en 1 S 0 → 1 P 1 con láseres a 461 nm. La MOT pasa de usar luz a 461 nm a usar luz a 689 nm para impulsar 1 S 0 → 3 P 1 , que es una transición estrecha, para obtener átomos aún más fríos. Luego, los átomos se transfieren a una trampa dipolar óptica donde el enfriamiento por evaporación los lleva a temperaturas en las que pueden cargarse eficazmente en una red óptica.

El enfriamiento por láser es importante para los esfuerzos de computación cuántica basados ​​en átomos neutros e iones atómicos atrapados. En una trampa de iones, el enfriamiento Doppler reduce el movimiento aleatorio de los iones para que formen una estructura cristalina bien ordenada en la trampa. Después del enfriamiento Doppler, los iones suelen enfriarse hasta su estado fundamental de movimiento para reducir la decoherencia durante las puertas cuánticas entre iones.

Equipo

El enfriamiento de átomos (y moléculas, en especial) mediante láser requiere un equipo experimental especializado que, al ensamblarse, forma una máquina de átomos fríos. Dicha máquina generalmente consta de dos partes: una cámara de vacío que alberga los átomos enfriados por láser y los sistemas láser utilizados para enfriar, así como para preparar y manipular los estados atómicos y detectar los átomos.

Sistema de vacío

Para que los átomos se enfríen con láser, no pueden colisionar con partículas de gas de fondo a temperatura ambiente. Tales colisiones calentarán drásticamente los átomos y los sacarán de las trampas débiles. Las tasas de colisión aceptables para las máquinas de átomos fríos generalmente requieren presiones de vacío de 10 −9 Torr y, muy a menudo, se necesitan presiones cientos o incluso miles de veces más bajas. Para lograr estas bajas presiones, se necesita una cámara de vacío. La cámara de vacío generalmente incluye ventanas para que los átomos puedan abordarse con láseres (por ejemplo, para enfriamiento láser) y se pueda detectar la luz emitida por los átomos o la absorción de luz por los átomos. La cámara de vacío también requiere una fuente atómica para el átomo o los átomos que se enfriarán con láser. La fuente atómica generalmente se calienta para producir átomos térmicos que se puedan enfriar con láser. Para los experimentos de atrapamiento de iones, el sistema de vacío también debe contener la trampa de iones, con los pasamuros eléctricos adecuados para la trampa. Los sistemas de átomos neutros muy a menudo emplean una trampa magnetoóptica (MOT) como una de las primeras etapas en la recolección y enfriamiento de átomos. Para una MOT, normalmente se colocan bobinas de campo magnético fuera de la cámara de vacío para generar gradientes de campo magnético para la MOT.

Láseres

Los láseres necesarios para las máquinas de átomos fríos dependen completamente de la elección del átomo. Cada átomo tiene transiciones electrónicas únicas en longitudes de onda muy distintas que deben ser impulsadas para que el átomo sea enfriado por láser. El rubidio, por ejemplo, es un átomo muy utilizado que requiere impulsar dos transiciones con luz láser a 780 nm que están separadas por unos pocos GHz. La luz para el rubidio se puede generar a partir de un láser de señal a 780 nm y un modulador electroóptico . Generalmente se utilizan decenas de mW (y a menudo cientos de mW para enfriar significativamente más átomos) para enfriar átomos neutros. Los iones atrapados, por otro lado, requieren microvatios de potencia óptica, ya que generalmente están estrechamente confinados y la luz láser se puede enfocar a un tamaño de punto pequeño. El ion de estroncio, por ejemplo, requiere luz tanto a 422 nm como a 1092 nm para ser enfriado por Doppler. Debido a los pequeños desplazamientos Doppler involucrados en el enfriamiento por láser, se requieren láseres muy estrechos, del orden de unos pocos MHz, para el enfriamiento por láser. Estos láseres generalmente se estabilizan en celdas de referencia de espectroscopia, cavidades ópticas o, a veces, medidores de ondas, de modo que la luz del láser se pueda ajustar con precisión en relación con las transiciones atómicas.

Véase también

Referencias

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Fuentes adicionales

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  • Enfriamiento por láser HyperPhysics
  • Serie de artículos de PhysicsWorld de Chad Orzel :
    • Frío: cómo los físicos aprendieron a manipular y mover partículas con enfriamiento láser
    • Más frío: cómo los físicos superaron el límite teórico del enfriamiento por láser y sentaron las bases para una revolución cuántica
    • El más frío: cómo una carta a Einstein y los avances en la tecnología de enfriamiento por láser llevaron a los físicos a nuevos estados cuánticos de la materia
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