El enfriamiento por láser incluye una serie de técnicas en las que las muestras atómicas y moleculares se enfrían hasta casi el cero absoluto . Las técnicas de enfriamiento por láser se basan en el hecho de que cuando un objeto (generalmente un átomo) absorbe y reemite un fotón (una partícula de luz), su impulso cambia. Para un conjunto de partículas, su temperatura termodinámica es proporcional a la variación en su velocidad. Es decir, velocidades más homogéneas entre partículas corresponden a una temperatura más baja. Las técnicas de enfriamiento por láser combinan la espectroscopia atómica con el efecto mecánico antes mencionado de la luz para comprimir la distribución de velocidades de un conjunto de partículas, enfriando así las partículas.
El primer ejemplo de enfriamiento por láser, y también el método más común (tanto que todavía se lo conoce simplemente como "enfriamiento por láser") es el enfriamiento por Doppler . Otros métodos de enfriamiento por láser incluyen:
- Refrigeración Sísifo [1]
- Refrigeración de banda lateral resuelta
- Refrigeración de banda lateral Raman
- Captura de población coherente selectiva por velocidad (VSCPT) [2]
- Melaza gris
- Enfriamiento mediado por cavidades [3]
- Uso de un Zeeman más lento
- Refrigeración por transparencia inducida electromagnéticamente (EIT) [4]
- Refrigeración anti-Stokes en sólidos
Historia
Intentos tempranos
Con el advenimiento de las técnicas de enfriamiento por láser, la teoría del electromagnetismo de Maxwell ya había llevado a la cuantificación de la radiación electromagnética ejerciendo una fuerza ( presión de radiación ), sin embargo, no fue hasta principios del siglo XX cuando los estudios de Lebedev (1901), Nichols (1901) y Hull (1903) demostraron experimentalmente esa fuerza. [5] Después de ese período, en 1933, Frisch ejemplificó la presión ejercida sobre los átomos por la luz. A principios de la década de 1970, los láseres se utilizaron para explorar más a fondo la manipulación de átomos . La introducción de láseres en los experimentos de manipulación atómica actuó como el advenimiento de las propuestas de enfriamiento por láser a mediados de la década de 1970. El enfriamiento por láser fue introducido por separado en 1975 por dos grupos de investigación diferentes: Hänsch y Schawlow , y Wineland y Dehmelt . Ambos describieron un proceso de ralentización de la velocidad basada en el calor en los átomos mediante "fuerzas radiativas". [6] En el artículo de Hänsch y Schawlow, se describe el efecto de la presión de la radiación sobre cualquier objeto que refleje la luz. Luego, ese concepto se conectó al enfriamiento de átomos en un gas. [7] Estas primeras propuestas para el enfriamiento por láser solo se basaron en la "fuerza de dispersión", el nombre de la presión de radiación. En propuestas posteriores , se introduciría el atrapamiento por láser , una variante de enfriamiento que requiere tanto de dispersión como de una fuerza dipolar . [6]
A finales de los 70, Ashkin describió cómo las fuerzas de radiación se pueden utilizar para atrapar ópticamente átomos y enfriarlos simultáneamente. [5] Hizo hincapié en cómo este proceso podría permitir largas mediciones espectroscópicas sin que los átomos escapen de la trampa y propuso la superposición de trampas ópticas para estudiar las interacciones entre diferentes átomos. [8] Siguiendo de cerca la carta de Ashkin en 1978, dos grupos de investigación: Wineland, Drullinger y Walls, y Neuhauser, Hohenstatt, Toscheck y Dehmelt refinaron aún más ese trabajo. [6] Específicamente, Wineland, Drullinger y Walls se preocuparon por la mejora de la espectroscopia. El grupo escribió sobre la demostración experimental del enfriamiento de átomos a través de un proceso que utiliza presión de radiación. Citan una precedencia para el uso de presión de radiación en trampas ópticas, pero critican la ineficacia de los modelos anteriores debido a la presencia del efecto Doppler . En un esfuerzo por disminuir el efecto, aplicaron una versión alternativa para enfriar los iones de magnesio por debajo del precedente de temperatura ambiente. [9] Usando la trampa electromagnética para contener los iones de magnesio, los bombardearon con un láser apenas desfasado de la frecuencia de resonancia de los átomos. [10] La investigación de ambos grupos sirvió para ilustrar las propiedades mecánicas de la luz. [6] Alrededor de este tiempo, las técnicas de enfriamiento por láser habían permitido que las temperaturas bajaran a alrededor de 40 kelvin .
Avances modernos
William Phillips fue influenciado por el artículo de Wineland e intentó imitarlo, utilizando átomos neutros en lugar de iones. En 1982, publicó el primer artículo que describe el enfriamiento de átomos neutros. El proceso que utilizó ahora se conoce como Zeeman más lento y se convirtió en una de las técnicas estándar para ralentizar un rayo atómico. Ahora, se alcanzaron temperaturas de alrededor de 240 microkelvins. Ese umbral fue el más bajo que los investigadores pensaron que era posible. Cuando las temperaturas alcanzaron 43 microkelvins en un experimento de Steven Chu , [11] el nuevo mínimo se explicó por la adición de más estados atómicos en combinación con la polarización del láser. Se decidió que las concepciones anteriores del enfriamiento por láser eran demasiado simplistas. [10] Los principales avances en los años 70 y 80 en el uso de la luz láser para el enfriamiento 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 los relojes atómicos más precisos y para mejorar las mediciones espectroscópicas, y llevaron a la observación de un nuevo estado de la materia a temperaturas ultra frías. [5] [10] El nuevo estado de la materia, el condensado de Bose-Einstein , fue observado en 1995 por Eric Cornell , Carl Wieman y Wolfgang Ketterle . [12]
Enfriamiento Doppler
El enfriamiento Doppler, que suele ir acompañado de una fuerza de captura magnética para generar una trampa magnetoóptica , es, con mucho, 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 alrededor de 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 uno aplica luz desde dos direcciones opuestas, los átomos siempre dispersarán más fotones del rayo láser apuntando en dirección opuesta a su dirección de movimiento. En cada evento de dispersión, el átomo pierde un momento igual al del fotón. Si el átomo, que ahora se encuentra en estado excitado, emite un fotón espontáneamente, será impulsado por la misma cantidad de impulso, pero en una dirección aleatoria. Dado que el cambio de impulso inicial 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 impulso del átomo y, por lo tanto, su velocidad, siempre que su velocidad inicial La velocidad era mayor que la velocidad de retroceso de la dispersión de un solo fotón. Si la absorción y la emisión se repiten muchas veces, se reducirá la velocidad media y, por tanto, la energía cinética del átomo. Dado que la temperatura de un grupo de átomos es una medida de la energía cinética interna aleatoria promedio, esto equivale a enfriar los átomos.
Usos
El enfriamiento por láser se utiliza principalmente para crear átomos ultrafríos para experimentos en física cuántica . Estos experimentos se realizan cerca del cero absoluto, donde se pueden observar efectos cuánticos únicos, como la condensación de Bose-Einstein . El enfriamiento por láser se ha utilizado principalmente en átomos, pero se han realizado avances recientes hacia sistemas más complejos de enfriamiento por láser. En 2010, un equipo de Yale enfrió con láser una molécula diatómica . [13] En 2007, un equipo del MIT enfrió con láser un objeto a escala macro (1 gramo) a 0,8 K. [14] En 2011, un equipo del Instituto de Tecnología de California y la Universidad de Viena se convirtió en el primero en utilizar láser -enfriar un objeto mecánico (10 μm x 1 μm) a su estado fundamental cuántico. [15]
Ver también
- Lista de artículos sobre láser - artículo de la lista de Wikipedia
- Pinzas ópticas
- Zeeman más lento
- Efecto Mössbauer : emisión y absorción resonante y sin retroceso de radiación gamma por núcleos atómicos
- Espectroscopía de Mössbauer : analiza las propiedades de núcleos isotópicos específicos en diferentes entornos atómicos mediante el análisis de la absorción resonante de los rayos gamma. Véase también el efecto Mössbauer.
- Refrigeradores cuánticos
- Cronología de la tecnología de baja temperatura : aspecto de la historia
- Investigadores en enfriamiento por láser
- Claude Cohen-Tannoudji - físico francés
- Steven Chu - físico estadounidense, exsecretario de Energía de los Estados Unidos y premio Nobel
Referencias
- ^ Enfriamiento láser y atrapamiento de átomos neutros Conferencia Nobel de William D. Phillips , 8 de diciembre de 1997: Phillips, William D. (1998). "Conferencia Nobel: Enfriamiento láser y atrapamiento de átomos neutros" . Reseñas de Física Moderna . 70 : 721–741. Código Bibliográfico : 1998RvMP ... 70..721P . doi : 10.1103 / RevModPhys.70.721 .
- ^ A. Aspecto; E. Arimondo; R. Kaiser; N. Vansteenkiste; C. Cohen-Tannoudji (1988). "Enfriamiento láser por debajo de la energía de retroceso de un fotón por captura de población coherente de velocidad selectiva" . Phys. Rev. Lett . 61 (7): 826–829. Código Bibliográfico : 1988PhRvL..61..826A . doi : 10.1103 / PhysRevLett.61.826 . PMID 10039440 .
- ^ Peter Horak; Gerald Hechenblaikner; Klaus M. Gheri; Herwig Stecher; Helmut Ritsch (1988). "Enfriamiento de átomos inducido por cavidades en el régimen de acoplamiento fuerte". Phys. Rev. Lett . 79 (25): 4974–4977. Código Bibliográfico : 1997PhRvL..79.4974H . doi : 10.1103 / PhysRevLett.79.4974 .
- ^ Haller, Elmar; Hudson, James; Kelly, Andrew; Cotta, Dylan A .; Peaudecerf, Bruno; Bruce, Graham D .; Kuhr, Stefan (2015). "Imágenes de un solo átomo de fermiones en un microscopio de gas cuántico". Física de la naturaleza . 11 (9): 738–742. arXiv : 1503.02005 . Código bibliográfico : 2015NatPh..11..738H . doi : 10.1038 / nphys3403 .
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- ^ Instituto de Tecnología de Massachusetts (2007, 8 de abril). El enfriamiento por láser acerca los objetos grandes al cero absoluto . Ciencia diaria. Consultado el 14 de enero de 2011.
- ^ El equipo de Caltech utiliza luz láser para enfriar el objeto al estado cuántico de tierra . Caltech.edu. Consultado el 27 de junio de 2013. Actualizado el 10/05/2011
Fuentes adicionales
- Física atómica. Pie, CJ Oxford University Press (2005). Pdf
- Cohen-Tanoudji, Claude (2011). Avances en Física Atómica . World Scientific. pag. 791. doi : 10.1142 / 6631 . ISBN 978-981-277-496-5.
- Bowley, Roger; Copeland, Ed (2010). "Refrigeración por láser" . Sesenta símbolos . Brady Haran para la Universidad de Nottingham .
- Hiperfísica de enfriamiento láser