Trampas de l¨¢ser para cazar ¨¢tomos

El Premio Nobel de F¨ªsica se ha concedido este a?o conjuntamente a Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji y Williani D. Phillips por el "desarrollo de m¨¦todos para enfriar y atrapar ¨¢tomos mediante luz l¨¢ser". Es la segunda vez que un trabajo sobre f¨ªsica at¨®mica ha recibido en la ¨²ltima d¨¦cada el reconocimiento m¨¢s codiciado. Por el momento, la importancia del enfriamiento y atrapamiento de ¨¢tomos es sobre todo cultural y acad¨¦mica y se limita, casi exclusivamente, a ampliar nuestro conocimiento sobre la interacci¨®n entre la radiaci¨®n (luz) y la materia (¨¢tomos). Sin embargo, como todo trabajo cient¨ªfico de calidad, anuncia tambi¨¦n aplicaciones apasionantes, tanto cient¨ªficas como tecnol¨®gicas, y prepara el terreno para usos no previstos.El estudio de los ¨¢tomos ha jugado un papel crucial en la ciencia moderna y en particular en la teor¨ªa cu¨¢ntica que se desarroll¨® en gran medida como teor¨ªa del ¨¢tomo. Fue O. Stem en los a?os veinte quien, con sus experimentos con haces at¨®micos, transform¨® a los ¨¢tomos individuales en h¨¦roes cotidianos de los laboratorios de f¨ªsica. El trabajo sobre atrapamiento y enfriamiento de ¨¢tomos entronca con la tradici¨®n de Stem, pero eleva a nuevas cimas la sutileza del detalle y el nivel de comprensi¨®n.

En condiciones usuales, los ¨¢tomos (y mol¨¦culas) que forman un gas se mueven en zigzag en todas direcciones y tienen una distribuci¨®n muy ancha de velocidades. Esta distribuci¨®n est¨¢ relacionada con la temperatura del gas; as¨ª, a temperatura ambiente, la velocidad m¨¢s probable del movimiento at¨®mico es comparable a la de una bala de fusil. La agitaci¨®n de los ¨¢tomos limita el nivel de detalle con el que pueden estudiarse sus propiedades. Los ¨¢tomos s¨®lo se calman a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto (-273,15 grados cent¨ªgrados); por ejemplo, los ¨¢tomos de sodio a una temperatura de una millon¨¦sima de grado por encima del cero absoluto (un micro Kelvin) se mueven a una velocidad de algunos cent¨ªmetros por segundo. Sin embargo, a temperaturas bajas, los ¨¢tomos condensan y forman l¨ªquidos o m¨¢s habitualmente s¨®lidos.

Desnudos

Para evitar que los ¨¢tomos condensen y para mantenerlos desnudos, hay que evitar que se acerquen entre s¨ª o a cualquier otro ¨¢tomo como los que constituyen las paredes de un recipiente. Para conseguirlo hay que contener a los ¨¢tomos a bajas densidades y a vac¨ªo mediante la acci¨®n de un campo el¨¦ctrico o magn¨¦tico que haga las veces de las paredes de un recipiente. Este tipo de recipiente se denomina trampa at¨®mica. Para llenarla, es preciso frenar a los ¨¢tomos cuando se encuentren en la zona de la trampa, ya que de lo contrario volver¨¢n a escapar. Por ello enfriamiento y atrapamiento van de la mano. Chu, Cohen-Tannoudj? y Phillips han desarrollado procedimientos de enfriamiento de ¨¢tomos hasta la zona del micro Kelvin utilizando luz l¨¢ser, y diferentes tipos de trampas at¨®micas para mantenerlos flotando o capturados.La luz se compone de part¨ªculas llamadas fotones que poseen propiedades mec¨¢nicas como energ¨ªa e impulso; los distintos colores de la luz corresponden a fotones con diferentes energ¨ªas e impulsos. Tambi¨¦n puede considerarse a la luz como a ondas (electromagn¨¦ticas) cuyas crestas y valles oscilan con una frecuencia dada. La energ¨ªa de un fot¨®n es proporcional a la frecuencia de estas oscilaciones. Un fot¨®n que choca con un ¨¢tomo puede transferirle su impulso si tiene la energ¨ªa adecuada, que viene determinada, por la estructura interna del ¨¢tomo, por sus niveles de energ¨ªa. Si la diferencia entre dos niveles de energ¨ªa del ¨¢tomo coincide con la energ¨ªa del fot¨®n, ¨¦ste puede ser absorbido y, tras un tiempo muy corto, vuelto a emitir. Al viajar a trav¨¦s de una corriente de fotones de un cierto color, el ¨¢tomo ve un color ligeramente distinto correspondiente a una frecuencia algo mayor. si ¨¢tomo y fot¨®n se mueven en direcciones opuestas, y algo menor si lo hacen en la misma direcci¨®n.

Efecto Doppler

T. W. H¨¢nsch y A. L. Schawlow, e independientemente H. G. Delimelt y D. G. Wineland, observaron que este efecto, llamado efecto Doppler, pod¨ªa emplearse para frenar ¨¢tomos: supongamos que se ilumina a los ¨¢tomos con luz cuya frecuencia sea ligeramente inferior a la necesaria para la absorci¨®n por parte de un ¨¢tomo estacionario. En estas condiciones, un ¨¢tomo que se mueva en direcci¨®n contraria ver¨¢ la luz de la frecuencia adecuada y absorber¨¢ probablemente un fot¨®n. En este proceso, el ¨¢tomo tomar¨¢ tambi¨¦n el impulso del fot¨®n y sufrir¨¢ una deceleraci¨®n. Tras un tiempo corto, el fot¨®n absorbido se volver¨¢ a emitir, lo que proporcionar¨¢ una aceleraci¨®n (retroceso) al ¨¢tomo.Sin embargo, el fot¨®n se emitir¨¢ en una direcci¨®n aleatoria que no guardar¨¢ relaci¨®n con la direcci¨®n inicial de absorci¨®n y por tanto, con la deceleraci¨®n. En consecuencia, una repetici¨®n de este ciclo de absorci¨®n-emisi¨®n conducir¨¢ a un frenado gradual del ¨¢tomo a lo largo de la direcci¨®n del l¨¢ser, ya que la resultante de los empujones al azar de los fotones emitidos ser¨¢ nula. Esta t¨¦cnica de enfriamiento Doppler fue puesta en funcionamiento por Chu. ?l y sus colaboradores utilizaron seis rayos l¨¢ser opuestos por parejas y colocados seg¨²n direcciones perpendiculares entre s¨ª para frenar ¨¢tomos de sodio. En la intersecci¨®n de los l¨¢seres, los ¨¢tomos se mov¨ªan como si se encontrasen en un l¨ªquido denso y Se acu?¨® el t¨¦rmino `melaza ¨®ptica".

Casi al mismo tiempo, Phillips y colaboradores, siguiendo una sugerencia de D. Pritchard, introdujeron una t¨¦cnica similar para decelerar ¨¢tomos y, adem¨¢s, construyeron un campo magn¨¦tico inhomog¨¦neo para atraparlos. Tras conocer el ¨¦xito de Chu con la "melaza ¨®ptica" el grupo de Phillips construy¨® un nuevo aparato que combinaba la trampa magn¨¦tica con la superior t¨¦cnica de enfriamiento de Chu y comenz¨® un estudio sistem¨¢tico de los ¨¢tomos atrapados. Pronto se descubri¨® que los ¨¢tomos estaban en realidad m¨¢s fr¨ªos de lo que predec¨ªa un modelo sencillo de enfriamiento Doppler (unos 40 micro Kelvin). La explicaci¨®n 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 energ¨ªa relevantes aparece un mecanismo adicional de enfr¨ªamiento al que denominaron enfriamiento "S¨ªsifo" por analog¨ªa con el eterno rodar monta?a arriba de la roca de S¨ªsifo. Tanto en el enfriamiento Doppler como en el S¨ªsifo, incluso los ¨¢tomos m¨¢s lentos se ven obligados a absorber y emitir fotones. Esto les da un peque?o pero no despreciable empuj¨®n 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 limitaci¨®n. Aplic¨¢ndola al enfriamiento y atrapamiento de ¨¢tomos de helio, alcanzaron una, temperatura de s¨®lo 0,18 micro Kelvin.

Posibles aplicaciones

El atrapamiento de ¨¢tomos ha abierto importantes -campos de investigaci¨®n, como la creaci¨®n y estudio de condensados de Bose-Einstein y la construcci¨®n de un l¨¢ser at¨®mico rudimentario. Entre las posibles aplicaciones est¨¢n los relojes at¨®micos (necesarios, por ejemplo, para la navegaci¨®n en la Tierra y en el espacio), cuya precisi¨®n se espera mejorar, y la litograf¨ªa at¨®mica, necesaria para la manufactura de componentes microclectr¨®nicos.Recientemente, el grupo de J. Doyle en la Universidad de Harvard ha desarrollado un nuevo m¨¦todo para enfriar y atrapar ¨¢tomos. En lugar de utilizar luz l¨¢ser para frenar a los ¨¢tomos, los investigadores emplean colisiones con un gas amortiguador (helio) que se mantiene a su vez fr¨ªo por contacto t¨¦rmico con un refrigerador. En contraste con el pu?ado de especies at¨®micas que se pueden enfriar mediante la luz, esta t¨¦cnica es independiente de las propiedades espec¨ªficas de la especie a enfriar. En consecuencia, es aplicable no s¨®lo a ¨¢tomos, sino tambi¨¦n a mol¨¦culas. Esto ampl¨ªa la variedad de ¨¢tomos susceptibles de ser atrapados a un 70% del sistema peri¨®dico. Del mismo modo que el enfriamiento y atrapamiento at¨®mico 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 tendr¨ªa posiblemente importantes repercusiones en qu¨ªmica y biolog¨ªa.