enfriamiento de Átomos
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Jimnez Vzquez Erik Rodrigo. Fsica atmica y materia condensada.
Enfriamiento de tomos
Antecedentes
La tcnica de enfriamiento de tomos
mediante luz lser se ha desarrollado durante
las ltimas tres dcadas. En 1975 dos grupos
propusieron paralelamente el enfriamiento
de tomos por medio de luz lser, el primer
grupo fue de David J. Wineland y Hans
Georg Dehmelt[1] y el segundo de Theodor
W. Hnsch y Arthur Leonard Schawlowse.
En 1985 en los laboratorios Bell,
Steven Chu realiz los primeros
experimentos de enfriamiento empleando
seis rayos lser opuestos en pares colocados
perpendicularmente entre s, ocasionando la
reduccin de la velocidad de los tomos los
cuales asemejaban desplazarse en una
melaza, denominando melaza ptica al
efecto creado con los rayos lser.
En 1989 Claude Cohen-Tannoudji
propone un mtodo de enfriamiento que
utiliza dos rayos lser con polarizaciones
ortogonales sobre una muestra de tomos
ocasionando que disminuyan su energa
cintica mientras que avanzan a un mximo
de energa potencial y mediante un bombeo
ptico se mueven a un estado de menor
energa liberando la energa potencial que
acarreaban.
En 1997 a Steven Chu, Clau Cohen-Tannoudji y William D. Phillips se les
otorg el Premio Nobel por el desarrollo de Mtodos para enfriar y atrapar tomos con
lser.
Enfriamiento por efecto Doppler.
Un tomo puede ser decelerado mediante fuerzas de presin las cuales provocan la transferencia de momento lineal de un haz
de luz que tiene la energa para provocar el intercambio de electrones de un nivel de
energa a uno menor (la cual se denomina frecuencia de resonancia y es proporcional a su frecuencia).
El enfriamiento Doppler se produce mediante dos fuerzas de presin opuestas. Los dos lseres que se propagan en sentido
contrario tienen la misma intensidad, la misma frecuencia y estn ligeramente
desintonizados de la frecuencia de resonancia ( ). Para un tomo en reposo la fuerza resultante
es cero debido a que las fuerzas de presin se cancelan mutuamente, si el tomo se mueve, sabemos de la relatividad especial
que desde el sistema de referencia del tomo las frecuencias estarn corridas por el efecto Doppler dependiendo de la direccin de
movimiento, con ello la onda que se propaga en direccin contraria al movimiento tiene
una mayor fuerza de presin que la que se propaga en la direccin del movimiento ocasionando que la fuerza neta sea opuesta a
la velocidad del movimiento, la cual puede ser escrita como con el coeficiente de friccin para pequeas. Utilizando el arreglo que Steven Chu utiliz
(descrito previamente) los tomos pueden ser frenados en un tiempo alrededor de microsegundos originando una melaza
ptica.
En el enfriamiento Doppler se producen necesariamente emisiones aleatorias de fotones debido a la emisin de los tomos.
Los fotones originan un retroceso en su momento de creando una corriente de difusin que se describe mediante un coeficiente
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, los retrocesos de los tomos son similares al comportamiento browniano y cuando existe una interaccin entre friccin y
corrientes de dispersin se llega a un estado estacionario. La teora del experimento
establece que la temperatura que alcanzar el
sistema siempre es mayor a
donde es el ancho natural del estado excitado y la constante de Boltzmann, la temperatura
se alcanza cuando | |
Sorprendentemente cuando se efectan mediciones de la temperatura en las melazas, el valor encontrado es menor que el esperado lo cual sugiere que existe otro mecanismo de enfriamiento oculto en el experimento.
Enfriamiento Sub-Doppler: Enfriamiento
Ssifo (Sisyphus cooling)
La descripcin del enfriamiento de tomos
por medio del enfriamiento Doppler no es completa. El enfriamiento Doppler no
incluye que el campo de radiacin originado por rayos lser no es homogneo y que los tomos reales tienen ms de dos niveles de
energa. Un ejemplo unidimensional puede mostrar que incluyendo estos efectos
adicionales, se obtiene un mejor sistema de enfriamiento. Consideremos el caso de dos lseres
que se propagan en direccin contraria a lo largo del eje z y ortogonalmente polarizados,
cada
el tipo de polarizacin del campo
resultante cambia a su estado ortogonal
intercalando los estados de polarizacin lineal y circular, adems supongamos que el
momento angular del estado base es
y que la diferencia de frecuencias no es muy grande comparada con con lo cual puede haber absorcin de fotones seguidas de emisiones espontneas efectuando una excitacin a subniveles de mayor energa, el lugar de decaimiento depender de la polarizacin, en el ejemplo si est con un estado
y absorbe polarizacin izquierda,
adquiere una proyeccin de momento
negativa luego emite un fotn con polarizacin lineal (que no lleva momento
angular) y decae al estado
. En
trminos energticos, si el tomo se desplaza en la direccin derecha (como en la figura) asciende una colina de potencial en cuya cima absorbe un fotn y llega a un estado excitado en el que emite posteriormente un
fotn sin momento angular y decae a un estado de menor energa, lo importante del
proceso es que la energa que emite es mayor que la energa que absorbe originando que el tomo reduzca su energa y en consecuencia
enfriando la muestra. Notemos que este proceso depende del lugar en el que se
encuentre el tomo por lo que el proceso es peridico y de ah el nombre de enfriamiento Ssifo basado en el mitro griego de Ssifo el
cual roda una piedra hasta la cima de una montaa y antes de llegar la piedra rodaba
teniendo que repetir el proceso.
Imagen 1: Arreglo unidimensional del campo resultante de
polarizacin (gradiente de polarizacin).
En este esquema, la energa de retroceso de un tomo al emitir o absorber est dada por:
Cuando es del orden de o menor el enfriamiento Ssifo deja de funcionar debido
a que el enfriamiento es menor que el calor
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generado por el retroceso. En este proceso el orden de temperaturas alcanzables es del orden de .
Aplicaciones
Algunas aplicaciones son:
El estudio de condensados de Bose-Einstein
cuya temperatura de aparicin son del orden de
microkelvin temperaturas alcanzadas por estos
mtodos (En tomos alcalinos el orden de
temperaturas es de ).
En computacin cuntica permitira reducir la
velocidad de iones haciendo ms fcil su
manipulacin, lo cual permitira crear registros
de bits cunticos formados por miles de tomos.
La construccin de relojes atmicos, en los que
los tomos reducen su velocidad para aumentar
la precisin al medir la transicin de los niveles
energticos de los tomos (regularmente cesio).
Los relojes atmicos actualmente se utilizan para
generar frecuencias que pueden ser aprovechadas
para sistemas de telefona y la medicin del
tiempo que permite sincronizar el sistema de
posicionamiento global (GPS).
Bibliografa:
MANIPULATING ATOMS WITH PHOTOS,
Nobel Lecture, December 8, 1997,
Claude N. Cohen-Tannoudji.
THE MANIPULATION OF NEUTRAL
PARTICLES, Nobel Lecture, December 8,
1997, Steven Chu.