El enfriamiento por láser se refiere a una serie de técnicas en las que las muestras atómicas y moleculares se enfrían casi hasta el cero absoluto . Las técnicas de enfriamiento por láser se basan en el hecho de que cuando un objeto (generalmente un átomo) absorbe y vuelve a emitir un fotón (una partícula de luz), su momento cambia. Para un conjunto de partículas, su temperatura 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 de la luz antes mencionado para comprimir la distribución de la velocidad de un conjunto de partículas, enfriando así las partículas.
El primer ejemplo de enfriamiento por láser, y también el método más común (hasta el punto de que a menudo se denomina simplemente "enfriamiento por láser") es el enfriamiento por Doppler . Otros métodos de enfriamiento por láser incluyen:
- Enfriamiento de Sisyphus [1]
- Resuelto en banda lateral
- Refrigeración de banda lateral raman
- Captura de población coherente selectiva de velocidad (VSCPT) [2]
- Melaza gris
- Enfriamiento mediado por cavidad [3]
- Uso de un Zeeman más lento.
- Enfriamiento de transparencia inducido electromagnéticamente (EIT)
Historia [ editar ]
Primeros intentos [ editar ]
En 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, sin embargo, no fue hasta el cambio del siglo XX cuando los estudios de Lebedev (1901), Nichols (1901), y Hull (1903) demostró experimentalmente esa fuerza. [5] Después de ese período, en 1933, Frisch ejemplificó la presión ejercida sobre los átomos por la luz. Comenzando a principios de la década de 1970, los láseres se utilizaron para explorar el átomo.manipulación. La introducción de los láseres en experimentos de manipulación atómica actuó como el advenimiento de las propuestas de enfriamiento por láser a mediados de los años setenta. El enfriamiento por láser se introdujo por separado en 1975 por dos grupos de investigación diferentes: Hänsch y Schawlow, y Wineland y Dehmelt. Ambos delinearon un proceso de desaceleración de la velocidadbasada en el calor en los átomos por "fuerzas radiativas". [6] En el documento de Hänsch y Schawlow, se describe el efecto de la presión radiativa sobre cualquier objeto que refleje luz. Ese concepto fue luego conectado al enfriamiento de los átomos en un gas. [7] Estas primeras propuestas para el enfriamiento por láser solo se basaban en la "fuerza de dispersión", el nombre de la fuerza radiativa. En propuestas posteriores, la captura con láser, una variante de enfriamiento que requiere tanto la dispersión como unaFuerza dipolo , se introduciría. [6]
A finales de los años 70, Ashkin describió cómo se pueden usar las fuerzas radiativas para atrapar los átomos y enfriarlos simultáneamente. [5] Enfatizó cómo este proceso podría permitir largas mediciones espectroscópicassin que los átomos escapen de la trampa y propuso la superposición de trampas ópticas para estudiar las interacciones entre los diferentes átomos. [8] Siguiendo de cerca la carta de Ashkin en 1978, dos grupos de investigación: Wineland, Drullinger and Walls, y Neuhauser, Hohenstatt, Toscheck y Dehmelt refinaron aún más ese trabajo. [6]En concreto, a Wineland, Drullinger y Walls les preocupaba 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 la presión de radiación en las 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 alternativa para enfriar los iones de magnesio por debajo de la temperatura ambiente anterior. [9] Usando la trampa electromagnética para contener los iones de magnesio, los bombardearon con un láser apenas fuera de fase 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 bajar las temperaturas a alrededor de 40 kelvins .
Avances modernos [ editar ]
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 describía 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 reducir la velocidad de un haz atómico. Ahora, se alcanzaron temperaturas alrededor de 240 microkelvins. Ese umbral era el más bajo que los investigadores creían posible. Cuando las temperaturas luego alcanzaron los 43 microkelvins en un experimento de Steven Chu , [11] la nueva baja 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 a nuevos descubrimientos con temperaturas justo por encima del cero absoluto . Los procesos de enfriamiento se utilizaron para hacer que los relojes atómicos fueran más precisos y mejorar las mediciones espectroscópicas, y condujeron a la observación de un nuevo estado de la materia a temperaturas ultrafrías. [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]
Doppler refrigeración [ editar ]
El enfriamiento Doppler, que suele ir acompañado de una fuerza de atrapamiento magnético para dar una trampa magneto-óptica , es, con mucho, el método más común de enfriamiento por láser. Se utiliza para enfriar los gases de baja densidad hasta el límite de enfriamiento Doppler , que para rubidio -85 es de alrededor de 150 microkelvinas .
En el enfriamiento Doppler, 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 desde el rayo láser apuntando en dirección opuesta a su dirección de movimiento. En cada evento de dispersión, el átomo pierde un impulso.Igual al impulso del fotón. Si el átomo, que ahora está en el estado excitado, emite un fotón espontáneamente, será expulsado por la misma cantidad de impulso, pero en una dirección aleatoria. Dado que el cambio de impulso inicial fue una pérdida pura (que se opone a la dirección del movimiento), mientras que el cambio posterior fue aleatorio (es decir, no ganancia pura), el resultado general del proceso de absorción y emisión es reducir el impulso del átomo, por lo tanto su velocidad, siempre que su velocidad inicial fuera 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 lo tanto, la energía cinética del átomo. Desde la temperatura de un grupo de átomos es una medida de la energía cinética interna aleatoria promedio, esto es equivalente a enfriar los átomos.
Usos [ editar ]
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 los átomos, pero se han realizado avances recientes hacia el enfriamiento por láser de sistemas más complejos. En 2010, un equipo de Yale logró enfriar con láser una molécula diatómica . [13] En 2007, un equipo del MIT logró enfriar con éxito un objeto de macroescala (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 enfriar con láser un objeto mecánico (10 μm x 1 μm) a su estado fundamental cuántico.
La deflectometría de láser schlieren ( LSD ) es un método para la medición a alta velocidad de la temperatura del gas en dimensiones microscópicas, en particular para picos de temperatura en condiciones dinámicas a presión atmosférica. El principio de la LSD se deriva de la fotografía de Schlieren : un rayo láser estrecho se utiliza para escanear un área en un gas donde los cambios en las propiedades están asociados con cambios característicos del índice de refracción . Se afirma que la deflectometría de Schlieren con láser supera las limitaciones de otros métodos con respecto a la resolución temporal y espacial. [1]
La teoría del método es análoga al experimento de dispersión de Ernest Rutherford de 1911. Sin embargo, en lugar de partículas alfa dispersadas por átomos de oro , aquí un rayo óptico se desvía por puntos calientes con temperatura desconocida. Una ecuación general de LSD describe la dependencia de la desviación máxima medida del rayo δ 1 en el máximo local de la temperatura del gas neutro en el punto caliente T 1 :
donde T 0 es la temperatura ambiente y δ 0 es una constante de calibración según la configuración del experimento. [2]
La deflectometría con láser Schlieren se ha utilizado para investigar la dinámica de la temperatura, la transferencia de calor y el balance de energía en un tipo de plasma de presión atmosférica miniaturizado .
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