Trampa magnética (átomos)

Una trampa magnética es un aparato que utiliza un gradiente de campo magnético para atrapar partículas neutras con momentos magnéticos . Aunque estas trampas se han empleado para muchos propósitos en la investigación de la física, son más conocidas como la última etapa en el enfriamiento de átomos para lograr la condensación de Bose-Einstein . La trampa magnética (como una forma de atrapar átomos muy fríos) fue propuesta por primera vez por David E. Pritchard .

Principio de operación

Muchos átomos tienen un momento magnético; su energía se desplaza en un campo magnético de acuerdo con la fórmula

${\displaystyle \Delta E=-{\vec {\mu }}\cdot {\vec {B}}}$.

Según los principios de la mecánica cuántica , se cuantificará el momento magnético de un átomo ; es decir, tomará uno de ciertos valores discretos. Si el átomo se coloca en un campo magnético fuerte, su momento magnético se alineará con el campo. Si se colocan varios átomos en el mismo campo, se distribuirán entre los diversos valores permitidos del número cuántico magnético para ese átomo.

Si un gradiente de campo magnético se superpone al campo uniforme, aquellos átomos cuyos momentos magnéticos estén alineados con el campo tendrán energías más bajas en un campo más alto. Como una bola rodando colina abajo, estos átomos tenderán a ocupar lugares con campos más altos y se conocen como átomos de "búsqueda de campo alto". Por el contrario, aquellos átomos con momentos magnéticos alineados en sentido opuesto al campo tendrán energías más altas en un campo más alto, tienden a ocupar ubicaciones con campos más bajos y se denominan átomos de "búsqueda de campo bajo".

Es imposible producir un máximo local de la magnitud del campo magnético en el espacio libre; sin embargo, se puede producir un mínimo local. Este mínimo puede atrapar átomos que buscan un campo bajo si no tienen suficiente energía cinética para escapar del mínimo. Por lo general, las trampas magnéticas tienen mínimos de campo relativamente poco profundos y solo pueden atrapar átomos cuyas energías cinéticas corresponden a temperaturas de una fracción de kelvin . Los mínimos de campo necesarios para el atrapamiento magnético se pueden producir de diversas formas. Estos incluyen trampas de imán permanente, trampas de configuración Ioffe, trampas QUIC y otras.

Trampa de átomos de microchip

Trampa atómica de microchip desarrollada en ILS en 2005

La magnitud mínima del campo magnético se puede realizar con el "microchip atómico". ^[1]Una de las primeras trampas atómicas de microchip se muestra a la derecha. El conductor en forma de Z (en realidad, la tira dorada en forma de Z pintada en la superficie de Si) se coloca en el campo magnético uniforme (la fuente del campo no se muestra en la figura). Solo quedaron atrapados los átomos con energía de campo de espín positivo. Para evitar la mezcla de estados de espín, el campo magnético externo se inclinó en el plano del chip, proporcionando la rotación adiabática del espín en el movimiento del átomo. En la primera aproximación, la magnitud (pero no la orientación) del campo magnético es responsable de la energía efectiva del átomo atrapado. El chip que se muestra es de 2 cm x 2 cm; este tamaño se eligió por su facilidad de fabricación. En principio, el tamaño de tales trampas de microchip se puede reducir drásticamente. Se puede fabricar una serie de trampas de este tipo conmétodos litográficos ; tal matriz se considera un prototipo de una celda de memoria de q-bits para la computadora cuántica . Se están desarrollando formas de transferir átomos y / o q-bits entre trampas; Se asume la óptica adiabática (con frecuencias de resonancia apagada) y / o el control eléctrico (con electrodos adicionales).

Aplicaciones en la condensación de Bose-Einstein

La condensación de Bose-Einstein (BEC) requiere condiciones de muy baja densidad y muy baja temperatura en un gas de átomos. El enfriamiento por láser en una trampa magnetoóptica (MOT) se usa típicamente para enfriar átomos hasta el rango de microkelvin. Sin embargo, el enfriamiento del láser está limitado por el impulso que un átomo recibe de los fotones individuales. Lograr BEC requiere enfriar los átomos más allá de los límites del enfriamiento del láser, lo que significa que los láseres utilizados en el MOT deben apagarse y se debe diseñar un nuevo método de captura. Se han utilizado trampas magnéticas para contener átomos muy fríos, mientras que el enfriamiento evaporativo ha reducido la temperatura de los átomos lo suficiente como para alcanzar BEC.

Referencias

1. M.Horikoshi; K.Nakagawa (2006). "Producción rápida basada en chips de átomos de condensado de Bose-Einstein". Física Aplicada B . 82 (3): 363–366. Código bibliográfico : 2006ApPhB..82..363H . doi : 10.1007 / s00340-005-2083-z .

Fuentes

• Pritchard, David E. (1983). "Enfriamiento de átomos neutros en una trampa magnética para espectroscopia de precisión". Cartas de revisión física . 51 (15): 1336-1339. Código Bibliográfico : 1983PhRvL..51.1336P . doi : 10.1103 / PhysRevLett.51.1336 .
• Anderson, MH; Ensher, JR; Matthews, MR; Wieman, CE; Cornell, EA (1995). "Observación de la condensación de Bose-Einstein en un vapor atómico diluido" . Ciencia . 269 (5221): 198-201. Código Bibliográfico : 1995Sci ... 269..198A . doi : 10.1126 / science.269.5221.198 . PMID  17789847 .

enlaces externos

• Grupos de investigación que trabajan con trampas atómicas