Enfriamiento Doppler

El enfriamiento Doppler es un mecanismo que se puede utilizar para atrapar y ralentizar el movimiento de los átomos para enfriar una sustancia. El término a veces se utiliza como sinónimo de enfriamiento por láser , aunque el enfriamiento por láser incluye otras técnicas.

El enfriamiento Doppler fue propuesto simultáneamente por dos grupos en 1975, el primero fue David J. Wineland y Hans Georg Dehmelt ^[1] y el segundo fue Theodor W. Hänsch y Arthur Leonard Schawlow . ^[2] Fue demostrado por primera vez por Wineland, Drullinger y Walls en 1978 ^[3] y poco después por Neuhauser, Hohenstatt, Toschek y Dehmelt. ^[4] Una forma conceptualmente simple de enfriamiento Doppler se conoce como melaza óptica , ya que la fuerza óptica disipativa se asemeja al arrastre viscoso de un cuerpo que se mueve a través de melaza. Steven Chu , Claude Cohen-Tannoudji y William D. Phillips fueron galardonados con el Premio Nobel de Física de 1997 por su trabajo en enfriamiento láser y atrapamiento de átomos. ^[5]

El enfriamiento Doppler implica luz con una frecuencia ligeramente inferior a la de una transición electrónica en un átomo . Debido a que la luz está desafinada hacia el "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 .

Consideremos el caso más simple de movimiento unidimensional en el eje x . Sea el fotón el que viaja en la dirección + x y el átomo el que viaja en la dirección − x . En cada evento de absorción, el átomo pierde un momento igual al momento del fotón. El átomo, que ahora está en estado excitado, emite un fotón espontáneamente pero de manera aleatoria a lo largo de + x o − x . El momento regresa al átomo. Si el fotón se emitió a lo largo de + x, entonces no hay cambio neto; sin embargo, si el fotón se emitió a lo largo de − x , entonces el átomo se mueve más lentamente en − x o + x .

El resultado neto del proceso de absorción y emisión es una reducción de la velocidad del átomo, siempre que su velocidad inicial sea mayor que la velocidad de retroceso al dispersar un único fotón. Si la absorción y la emisión se repiten muchas veces, la velocidad media y, por lo tanto, la energía cinética del átomo, se reducirán. Dado que la temperatura de un conjunto de átomos es una medida de la energía cinética interna aleatoria, esto equivale a enfriar los átomos.

El límite de enfriamiento Doppler es la temperatura mínima alcanzable con el enfriamiento Doppler.

La gran mayoría de los fotones que se acercan a un átomo en particular no se ven afectados por él en absoluto ^{[6] . El átomo es casi completamente transparente a la mayoría de las frecuencias (colores) de los fotones.}

Resulta que algunos fotones " resuenan " con el átomo en unas pocas bandas de frecuencias muy estrechas (un solo color en lugar de una mezcla como la luz blanca ). Cuando uno de esos fotones se acerca al átomo, este normalmente absorbe ese fotón ( espectro de absorción ) durante un breve período de tiempo y luego emite un fotón idéntico ( espectro de emisión ) en una dirección aleatoria e impredecible. (Existen otros tipos de interacciones entre átomos y fotones, pero no son relevantes para este artículo).

La idea popular de que los láseres aumentan la energía térmica de la materia no es cierta cuando se examinan átomos individuales. Si un átomo determinado está prácticamente inmóvil (un átomo "frío") y se puede controlar la frecuencia de un láser enfocado sobre él, la mayoría de las frecuencias no afectan al átomo; es invisible a esas frecuencias. Sólo hay unos pocos puntos de frecuencia electromagnética que tienen algún efecto sobre ese átomo. En esas frecuencias, el átomo puede absorber un fotón del láser, mientras pasa a un estado electrónico excitado, y recoger el impulso de ese fotón. Como el átomo ahora tiene el impulso del fotón, debe comenzar a desplazarse en la dirección en la que viajaba el fotón. Poco tiempo después, el átomo emitirá espontáneamente un fotón en una dirección aleatoria mientras se relaja a un estado electrónico inferior. Si ese fotón se emite en la dirección del fotón original, el átomo cederá su impulso al fotón y volverá a quedar inmóvil. Si el fotón se emite en la dirección opuesta, el átomo tendrá que proporcionar impulso en esa dirección opuesta, lo que significa que el átomo adquirirá aún más impulso en la dirección del fotón original (para conservar el impulso), con el doble de su velocidad original. Pero, por lo general, el fotón se aleja a toda velocidad en otra dirección, lo que le da al átomo al menos un poco de empuje lateral.

Otra forma de cambiar las frecuencias es cambiar la posición del láser, por ejemplo, utilizando un láser monocromático (de un solo color) que tenga una frecuencia ligeramente inferior a una de las frecuencias "resonantes" de este átomo (en cuya frecuencia el láser no afectará directamente el estado del átomo). Si el láser se posicionara de manera que se moviera hacia los átomos observados, entonces el efecto Doppler aumentaría su frecuencia. A una velocidad específica, la frecuencia sería exactamente la correcta para que dichos átomos comenzaran a absorber fotones.

Algo muy similar ocurre en un aparato de enfriamiento láser, excepto que estos dispositivos comienzan con una nube cálida de átomos que se mueven en numerosas direcciones a velocidad variable. Comenzando con una frecuencia láser muy por debajo de la frecuencia de resonancia, los fotones de cualquier láser pasan directamente a través de la mayoría de los átomos. Sin embargo, los átomos que se mueven rápidamente hacia un láser en particular atrapan los fotones de ese láser, lo que ralentiza esos átomos hasta que se vuelven transparentes nuevamente. (Los átomos que se alejan rápidamente de ese láser son transparentes a los fotones de ese láser, pero se mueven rápidamente hacia el láser directamente opuesto a él). Esta utilización de una velocidad específica para inducir la absorción también se observa en la espectroscopia Mössbauer .

En un gráfico de velocidades de átomos (los átomos que se mueven rápidamente hacia la derecha corresponden a puntos estacionarios muy a la derecha, los átomos que se mueven rápidamente hacia la izquierda corresponden a puntos estacionarios muy a la izquierda), hay una banda estrecha en el borde izquierdo que corresponde a la velocidad a la que esos átomos comienzan a absorber fotones del láser izquierdo. Los átomos en esa banda son los únicos que interactúan con el láser izquierdo. Cuando un fotón del láser izquierdo choca contra uno de esos átomos, de repente se ralentiza en una cantidad correspondiente al momento de ese fotón (el punto se volvería a dibujar una distancia "cuántica" fija más a la derecha). Si el átomo libera el fotón directamente hacia la derecha, entonces el punto se vuelve a dibujar esa misma distancia hacia la izquierda, devolviéndolo a la banda estrecha de interacción. Pero por lo general, el átomo libera el fotón en alguna otra dirección aleatoria, y el punto se vuelve a dibujar esa distancia cuántica en la dirección opuesta.

Un aparato de este tipo se construiría con muchos láseres, correspondientes a muchas líneas límite que rodearían completamente esa nube de puntos.

A medida que aumenta la frecuencia del láser, el límite se contrae, empujando todos los puntos de ese gráfico hacia la velocidad cero, la definición dada de "frío".

La temperatura Doppler es la temperatura mínima alcanzable con el enfriamiento Doppler.

Cuando un fotón es absorbido por un átomo que se propaga en sentido contrario a la fuente de luz, su velocidad disminuye por la conservación del momento . Cuando el fotón absorbido es emitido espontáneamente por el átomo excitado , el átomo recibe un impulso de momento en una dirección aleatoria. Las emisiones espontáneas son isotrópicas y, por lo tanto, estos impulsos de momento promedian cero para la velocidad media. Por otro lado, la velocidad cuadrática media, , no es cero en el proceso aleatorio y, por lo tanto, se suministra calor al átomo. ^[7] En el equilibrio, las tasas de calentamiento y enfriamiento son iguales, lo que establece un límite en la cantidad en que se puede enfriar el átomo. Como las transiciones utilizadas para el enfriamiento Doppler tienen anchos de línea naturales amplios (medidos en radianes por segundo ), esto establece el límite inferior de la temperatura de los átomos después del enfriamiento en ^[8].${\displaystyle \langle v^{2}\rangle }$ ${\estilo de visualización \gamma}$

$${\displaystyle T_{\mathrm {Doppler}}=\hbar \gamma /(2k_{\text{B}}),}$$

donde es la constante de Boltzmann y es la constante de Planck reducida . Esta suele ser mucho más alta que la temperatura de retroceso , que es la temperatura asociada con el momento obtenido a partir de la emisión espontánea de un fotón.${\displaystyle k_{\text{B}}}$${\estilo de visualización \hbar}$

El límite Doppler se ha verificado con un gas de helio metaestable. ^[9]

Se han logrado temperaturas muy por debajo del límite Doppler con varios métodos de enfriamiento por láser, incluidos el enfriamiento Sisyphus , el enfriamiento por evaporación y el enfriamiento de banda lateral resuelta . La teoría del enfriamiento Doppler supone un átomo con una estructura simple de dos niveles, mientras que la mayoría de las especies atómicas que se enfrían por láser tienen una estructura hiperfina complicada. Los mecanismos como el enfriamiento Sisyphus debido a múltiples estados fundamentales conducen a temperaturas inferiores al límite Doppler.

La concentración debe ser mínima para evitar la absorción de fotones en el gas en forma de calor. Esta absorción ocurre cuando dos átomos chocan entre sí mientras uno de ellos tiene un electrón excitado. Existe entonces la posibilidad de que el electrón excitado vuelva al estado fundamental con su energía extra liberada en forma de energía cinética adicional para los átomos en colisión, lo que calienta los átomos. Esto va en contra del proceso de enfriamiento y, por lo tanto, limita la concentración máxima de gas que se puede enfriar utilizando este método.

Sólo ciertos átomos e iones tienen transiciones ópticas que se pueden enfriar con láser, ya que es extremadamente difícil generar las cantidades de potencia láser necesarias en longitudes de onda mucho más cortas que 300 nm. Además, cuanto más hiperfina sea la estructura de un átomo, más formas hay de que emita un fotón desde el estado superior y no vuelva a su estado original, poniéndolo en un estado oscuro y eliminándolo del proceso de enfriamiento. Es posible utilizar otros láseres para bombear ópticamente esos átomos de vuelta al estado excitado y volver a intentarlo, pero cuanto más compleja sea la estructura hiperfina, más láseres (de banda estrecha, bloqueados en frecuencia) se requieren. Dado que los láseres bloqueados en frecuencia son complejos y caros, los átomos que necesitan más de un láser de rebombeo adicional rara vez se enfrían; la trampa magneto-óptica de rubidio común , por ejemplo, requiere un láser de rebombeo. Esta es también la razón por la que las moléculas son en general difíciles de enfriar con láser: además de la estructura hiperfina, las moléculas también tienen acoplamientos rovibrónicos y, por lo tanto, también pueden decaer en estados de vibración o rotación excitados. Sin embargo, se ha demostrado el enfriamiento láser de moléculas, primero con moléculas de SrF, ^[10] y posteriormente con otros diatómicos como CaF ^{[11] [12]} y YO. ^[13]

Se pueden utilizar conjuntos de rayos láser contrapropagantes en las tres dimensiones cartesianas para enfriar los tres grados de libertad de movimiento del átomo. Las configuraciones de enfriamiento láser más comunes incluyen la melaza óptica, la trampa magneto-óptica y el láser Zeeman más lento .

Los iones atómicos atrapados en una trampa de iones se pueden enfriar con un solo haz láser siempre que dicho haz tenga un componente a lo largo de los tres grados de libertad de movimiento. Esto contrasta con los seis haces necesarios para atrapar átomos neutros. Los experimentos originales de enfriamiento láser se realizaron con iones en trampas de iones. (En teoría, los átomos neutros se podrían enfriar con un solo haz si se pudieran atrapar en una trampa profunda, pero en la práctica las trampas neutras son mucho menos profundas que las trampas de iones y un solo evento de retroceso puede ser suficiente para expulsar a un átomo neutro de la trampa).

Un uso del enfriamiento Doppler es la técnica de la melaza óptica . Este proceso forma parte de la trampa magneto-óptica, pero puede utilizarse de forma independiente.

El enfriamiento Doppler también se utiliza en espectroscopia y metrología, donde el enfriamiento permite obtener características espectroscópicas más estrechas. Por ejemplo, todas las mejores tecnologías de relojes atómicos implican el enfriamiento Doppler en algún momento.

• Trampa magneto-óptica
• Refrigeración de banda lateral resuelta

• Foot, CJ (2005). Física atómica . Oxford University Press . Págs. 182-213. ISBN. 978-0-19-850696-6.
• Metcalf, HJ; van der Straten, P. (1999). Enfriamiento y captura por láser . Springer-Verlag . ISBN 978-0-387-98728-6.
• Phillips, WD (1997). "Enfriamiento y captura de átomos mediante láser" (PDF) . Conferencia Nobel . Fundación Nobel . Págs. 199–237.