Trampas de láser para cazar átomos

El Premio Nobel de Física se ha concedido este año conjuntamente a Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji y Williani D. Phillips por el "desarrollo de métodos para enfriar y atrapar átomos mediante luz láser". Es la segunda vez que un trabajo sobre física atómica ha recibido en la última década el reconocimiento más codiciado. Por el momento, la importancia del enfriamiento y atrapamiento de átomos es sobre todo cultural y académica y se limita, casi exclusivamente, a ampliar nuestro conocimiento sobre la interacción entre la radiación (luz) y la materia (átomos). Sin embargo, como todo trabajo científico de calidad, anuncia también aplicaciones apasionantes, tanto científicas como tecnológicas, y prepara el terreno para usos no previstos.El estudio de los átomos ha jugado un papel crucial en la ciencia moderna y en particular en la teoría cuántica que se desarrolló en gran medida como teoría del átomo. Fue O. Stem en los años veinte quien, con sus experimentos con haces atómicos, transformó a los átomos individuales en héroes cotidianos de los laboratorios de física. El trabajo sobre atrapamiento y enfriamiento de átomos entronca con la tradición de Stem, pero eleva a nuevas cimas la sutileza del detalle y el nivel de comprensión.

En condiciones usuales, los átomos (y moléculas) que forman un gas se mueven en zigzag en todas direcciones y tienen una distribución muy ancha de velocidades. Esta distribución está relacionada con la temperatura del gas; así, a temperatura ambiente, la velocidad más probable del movimiento atómico es comparable a la de una bala de fusil. La agitación de los átomos limita el nivel de detalle con el que pueden estudiarse sus propiedades. Los átomos sólo se calman a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto (-273,15 grados centígrados); por ejemplo, los átomos de sodio a una temperatura de una millonésima de grado por encima del cero absoluto (un micro Kelvin) se mueven a una velocidad de algunos centímetros por segundo. Sin embargo, a temperaturas bajas, los átomos condensan y forman líquidos o más habitualmente sólidos.

Desnudos

Para evitar que los átomos condensen y para mantenerlos desnudos, hay que evitar que se acerquen entre sí o a cualquier otro átomo como los que constituyen las paredes de un recipiente. Para conseguirlo hay que contener a los átomos a bajas densidades y a vacío mediante la acción de un campo eléctrico o magnético que haga las veces de las paredes de un recipiente. Este tipo de recipiente se denomina trampa atómica. Para llenarla, es preciso frenar a los átomos cuando se encuentren en la zona de la trampa, ya que de lo contrario volverán a escapar. Por ello enfriamiento y atrapamiento van de la mano. Chu, Cohen-Tannoudj¡ y Phillips han desarrollado procedimientos de enfriamiento de átomos hasta la zona del micro Kelvin utilizando luz láser, y diferentes tipos de trampas atómicas para mantenerlos flotando o capturados.La luz se compone de partículas llamadas fotones que poseen propiedades mecánicas como energía e impulso; los distintos colores de la luz corresponden a fotones con diferentes energías e impulsos. También puede considerarse a la luz como a ondas (electromagnéticas) cuyas crestas y valles oscilan con una frecuencia dada. La energía de un fotón es proporcional a la frecuencia de estas oscilaciones. Un fotón que choca con un átomo puede transferirle su impulso si tiene la energía adecuada, que viene determinada, por la estructura interna del átomo, por sus niveles de energía. Si la diferencia entre dos niveles de energía del átomo coincide con la energía del fotón, éste puede ser absorbido y, tras un tiempo muy corto, vuelto a emitir. Al viajar a través de una corriente de fotones de un cierto color, el átomo ve un color ligeramente distinto correspondiente a una frecuencia algo mayor. si átomo y fotón se mueven en direcciones opuestas, y algo menor si lo hacen en la misma dirección.

Efecto Doppler

T. W. Hánsch y A. L. Schawlow, e independientemente H. G. Delimelt y D. G. Wineland, observaron que este efecto, llamado efecto Doppler, podía emplearse para frenar átomos: supongamos que se ilumina a los átomos con luz cuya frecuencia sea ligeramente inferior a la necesaria para la absorción por parte de un átomo estacionario. En estas condiciones, un átomo que se mueva en dirección contraria verá la luz de la frecuencia adecuada y absorberá probablemente un fotón. En este proceso, el átomo tomará también el impulso del fotón y sufrirá una deceleración. Tras un tiempo corto, el fotón absorbido se volverá a emitir, lo que proporcionará una aceleración (retroceso) al átomo.Sin embargo, el fotón se emitirá en una dirección aleatoria que no guardará relación con la dirección inicial de absorción y por tanto, con la deceleración. En consecuencia, una repetición de este ciclo de absorción-emisión conducirá a un frenado gradual del átomo a lo largo de la dirección del láser, ya que la resultante de los empujones al azar de los fotones emitidos será nula. Esta técnica de enfriamiento Doppler fue puesta en funcionamiento por Chu. Él y sus colaboradores utilizaron seis rayos láser opuestos por parejas y colocados según direcciones perpendiculares entre sí para frenar átomos de sodio. En la intersección de los láseres, los átomos se movían como si se encontrasen en un líquido denso y Se acuñó el término `melaza óptica".

Casi al mismo tiempo, Phillips y colaboradores, siguiendo una sugerencia de D. Pritchard, introdujeron una técnica similar para decelerar átomos y, además, construyeron un campo magnético inhomogéneo para atraparlos. Tras conocer el éxito de Chu con la "melaza óptica" el grupo de Phillips construyó un nuevo aparato que combinaba la trampa magnética con la superior técnica de enfriamiento de Chu y comenzó un estudio sistemático de los átomos atrapados. Pronto se descubrió que los átomos estaban en realidad más fríos de lo que predecía un modelo sencillo de enfriamiento Doppler (unos 40 micro Kelvin). La explicación de esta discrepancia, inesperada pero bienvenida, vino inmediatamente del grupo de Cohen-Tannoudji y colaboradores, quienes advirtieron que si se tienen en cuenta todos los niveles de energía relevantes aparece un mecanismo adicional de enfríamiento al que denominaron enfriamiento "Sísifo" por analogía con el eterno rodar montaña arriba de la roca de Sísifo. Tanto en el enfriamiento Doppler como en el Sísifo, incluso los átomos más lentos se ven obligados a absorber y emitir fotones. Esto les da un pequeño pero no despreciable empujón que hace que sus velocidades sean distintas de ero. Cohen-Tannoudji y coa ora ores esa roaron entre 1988 y 1995 una tecnica que permite evitar incluso esta limitación. Aplicándola al enfriamiento y atrapamiento de átomos de helio, alcanzaron una, temperatura de sólo 0,18 micro Kelvin.

Posibles aplicaciones

El atrapamiento de átomos ha abierto importantes -campos de investigación, como la creación y estudio de condensados de Bose-Einstein y la construcción de un láser atómico rudimentario. Entre las posibles aplicaciones están los relojes atómicos (necesarios, por ejemplo, para la navegación en la Tierra y en el espacio), cuya precisión se espera mejorar, y la litografía atómica, necesaria para la manufactura de componentes microclectrónicos.Recientemente, el grupo de J. Doyle en la Universidad de Harvard ha desarrollado un nuevo método para enfriar y atrapar átomos. En lugar de utilizar luz láser para frenar a los átomos, los investigadores emplean colisiones con un gas amortiguador (helio) que se mantiene a su vez frío por contacto térmico con un refrigerador. En contraste con el puñado de especies atómicas que se pueden enfriar mediante la luz, esta técnica es independiente de las propiedades específicas de la especie a enfriar. En consecuencia, es aplicable no sólo a átomos, sino también a moléculas. Esto amplía la variedad de átomos susceptibles de ser atrapados a un 70% del sistema periódico. Del mismo modo que el enfriamiento y atrapamiento atómico comienza a abrir una amplia gama de posibilidades para nuevos experimentos, es probable que ocurra lo mismo con el enfriamiento y atrapamiento molecular, lo que tendría posiblemente importantes repercusiones en química y biología.