Sacudir los electrones inmoviliza los átomos.

Sacudir los electrones inmoviliza los átomos.

Sacudir los electrones inmoviliza los átomos.

Thinkstock

A menudo me entusiasman los condensados ​​de Bose Einstein, materiales fascinantes donde grandes grupos de átomos exhiben un comportamiento cuántico colectivo. Lo que realmente me motiva es el proceso utilizado para Fabricar ellos. El paso principal se llama enfriamiento óptico. Puede parecer muy simple, pero en realidad es difícil y la mayoría de las veces no funciona.

Un artículo reciente en Cartas de exploración física ahora agrega un nuevo método de enfriamiento óptico al conjunto de herramientas del físico. Al hacerlo, abre muchas posibilidades nuevas y emocionantes.

Como, cálmate hombre

El método típico de enfriamiento óptico es una física excepcionalmente clara. Piensa en un gas de átomos. Están pasando un tiempo fantástico en el mosh pit de la vida, volando en todas direcciones y rebotando entre sí con vigor y energía. Pero como con todas las cosas buenas de la vida, aparecerá un anciano, se quejará del ruido y, en general, absorberá todo el entretenimiento de la vida: todo se ralentiza. Disminuir la velocidad de todo es la forma más fácil de pensar en el enfriamiento.

En física, los viejos toman la forma de láseres. Si elige correctamente el color de un láser, los átomos del gas absorberán la luz y, en el proceso, cambiarán de su estado fundamental a un estado excitado. Pero considere esto: si un átomo se aleja del láser, verá el color ligeramente más rojo que nosotros. Y como el color tiene que ser el correcto, no lo absorberá. De manera similar, un átomo que vuele hacia el láser observará que la luz tiene un color ligeramente más azul y no la absorberá.

Este es un cambio Doppler estándar y es esencial para el proceso de enfriamiento. Para enfriar un montón de átomos, elegimos un láser de un color ligeramente demasiado rojo. Ahora, los átomos que se mueven muy lentamente no absorberán ninguna luz. Pero los átomos que se mueven demasiado rápido hacia el láser absorberán un fotón. Al hacerlo, obtienen un impulso y disminuyen la velocidad. Luego se deshacen de la energía emitiendo un fotón. Al emitir un fotón, reciben una segunda patada en una dirección aleatoria.

Suponiendo que organice un grupo de láseres correctamente, en promedio, cada átomo se enfría lentamente hasta que se mueve lo suficientemente lento como para que ya no absorba la luz de ninguno de los láseres. Pero solo funciona si Ud. haber emisión espontánea. Si el átomo permanece demasiado tiempo en estado excitado, saldrá de la zona de enfriamiento antes de emitir. Peor aún, si los campos de luz estimulan su emisión, se acelerará fuera de la zona de enfriamiento.

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Esconderse del láser

En un mundo perfecto, esa sería toda la historia. Pero para continuar con la metáfora de los adolescentes que ignoran a los viejos que se quejan del ruido, los átomos a menudo tampoco prestan atención al láser. El láser excita los átomos y logra cierto enfriamiento, pero no hay indicios de que el átomo deba volver al estado fundamental. Los átomos tienen muchos más estados para elegir. Si el átomo nunca regresa al estado fundamental, no puede absorber más luz láser para enfriarse más. Estos átomos saldrán de la zona de enfriamiento y se perderán.

Para los átomos, este problema se resuelve instalando un segundo (o tercero o cuarto) láser para sacar los átomos de estos estados intermedios y volver al estado fundamental para su enfriamiento. Sin embargo, es bastante difícil con los átomos. Las moléculas son aún peores, porque tienen muchos más niveles de energía, por lo que se vuelve imposible devolver las moléculas al estado fundamental. Entonces, el enfriamiento molecular solo funciona en unas pocas moléculas muy artificiales.

Entonces, los físicos se limitan a unos pocos átomos que tienen la estructura de nivel de energía correcta para permitir el enfriamiento óptico. Y las moléculas están completamente ausentes. Sin embargo, un trabajo reciente puede cambiar esto.

Si pensabas que era complicado…

Este nuevo sistema de enfriamiento adopta un enfoque ligeramente diferente. Desafortunadamente, explicarlo se va a complicar. Comencemos con un solo átomo. Tiene un conjunto de electrones que están dispuestos alrededor del centro cargado positivamente en una estructura de nivel de energía. Para que un electrón se mueva de un nivel de energía a otro, debe absorber o ceder una cantidad fija de energía. Así, los átomos absorben colores particulares de luz porque la frecuencia del campo de luz corresponde a la energía necesaria para que los electrones realicen la transición entre dos niveles diferentes.

Pero, ¿qué sucede cuando el átomo se baña en una luz que tiene el color equivocado? Los electrones todavía experimentan la fuerza ejercida por el campo de luz, que distorsiona todo el sistema de niveles de energía. Debido a que el campo de luz oscila, la distorsión de los niveles de energía también oscila.

Desde nuestro punto de vista, parece que toda la estructura se ha duplicado. Cada nivel de energía se divide en dos: uno ligeramente superior y otro ligeramente inferior al original. La división se hace más y más grande a medida que aumenta la intensidad del campo de luz hasta que, como por arte de magia, la rama inferior o superior resuena con el campo de luz. De repente, el átomo puede absorber la luz y todo tipo de efectos realmente geniales comienzan a ocurrir.

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Esta es la base de esta nueva técnica de enfriamiento. En lugar de un solo láser con un solo color, los investigadores usan dos láseres que emiten dos colores ligeramente diferentes. Uno tiene una frecuencia ligeramente superior a la necesaria para la absorción y el otro tiene una frecuencia ligeramente inferior a la necesaria para la absorción.

Ahora apliquemos la lógica anterior: el primer campo de luz divide los niveles de energía y el segundo campo de luz divide los niveles de energía que ya se han dividido. Y estos nuevos niveles también se pueden dividir por el primer campo de luz. Como resultado, cada nivel de energía individual se descompone en una cascada de niveles.

Un elemento clave para convertir esto en un proceso de enfriamiento es la disposición física de los haces de luz: apuntan entre sí. Los campos de luz se mezclan para formar lo que se llama un patrón de ondas estacionarias. En un patrón de onda estacionaria, algunas áreas no tienen campo de luz (llamado nodo), mientras que otras tienen mucho campo (llamado anti-nodo). En los nodos desaparece parte de la división de nivel debida a los dos campos.

Un átomo que se encuentra en la rama superior de un nivel dividido puede emitir un fotón para moverse a una rama inferior. Sin embargo, para hacer esto, debe emitir su luz. dentro el campo de luz con la frecuencia más alta. Y solo puede hacer esto renunciando a algo de energía impulsora.

Para ser un poco más específico: debido a que el átomo debe someterse a una emisión estimulada por el campo de luz, se acelera a una velocidad constante en una dirección, mientras que pierde velocidad en todas las demás direcciones. Todavía se está enfriando porque la temperatura se define por el rango de velocidades en un gas, que se ha reducido a una distribución estrecha, centrada en la velocidad constante impartida por los dos campos de luz.

Funciona

Si.

Los investigadores demostraron su técnica de enfriamiento en un haz de helio. Eligieron condiciones tales que la emisión espontánea no pudiera contribuir al enfriamiento. Bajo sus condiciones, cada átomo podría, en promedio, emitir solo de 2 a 3 fotones por emisión espontánea, mientras que el enfriamiento que observaron habría requerido la emisión de alrededor de 35 fotones. Está claro que el sistema les ha hecho perder energía.

La gran pregunta es si esta técnica será más general que otras técnicas de enfriamiento. Es difícil de decir. En sus cálculos usaron un sistema muy limpio, por lo que la cascada de niveles de energía involucrada aquí es clara y suave. En una molécula, cada nivel de energía electrónica es en realidad un revoltijo de subniveles. El recorte inducido será muy irregular ya que se aplicará a cada subnivel; la imagen resultante, para mí, no es tan clara.

Supongo que los fundamentos siguen siendo los mismos: la molécula quiere reducir su energía, por lo que seguirá emitiendo espontáneamente. Pero el camino a través del sistema de niveles puede ser bastante complicado y el tiempo de enfriamiento impredecible. Peor aún, podría terminar con una molécula que se queda quieta mientras vibra como loca, lo que en realidad la calienta mucho.

Sin embargo, espero con ansias la primera demostración de las moléculas.

Cartas de exploración física2015, DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.043002

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