En física de la materia condensada , un átomo ultrafrío es un átomo con una temperatura cercana al cero absoluto . A tales temperaturas, las propiedades mecánico-cuánticas de un átomo se vuelven importantes.
Para alcanzar temperaturas tan bajas, normalmente se debe utilizar una combinación de varias técnicas. [1] Primero, los átomos son atrapados y preenfriados mediante enfriamiento por láser en una trampa magnetoóptica . Para alcanzar la temperatura más baja posible, se realiza un enfriamiento adicional mediante enfriamiento por evaporación en una trampa magnética u óptica . Varios premios Nobel de física están relacionados con el desarrollo de técnicas para manipular las propiedades cuánticas de átomos individuales (por ejemplo, 1995-1997, 2001, 2005, 2012, 2017).
Los experimentos con átomos ultrafríos estudian una variedad de fenómenos, incluidas las transiciones de fase cuántica , la condensación de Bose-Einstein (BEC), la superfluidez bosónica , el magnetismo cuántico , la dinámica de espín de muchos cuerpos, los estados de Efimov , la superfluidez de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) y el BEC –Cruce BCS. [2] Algunas de estas direcciones de investigación utilizan sistemas de átomos ultrafríos como simuladores cuánticos para estudiar la física de otros sistemas, incluido el gas unitario Fermi y los modelos de Ising y Hubbard . [3] Los átomos ultrafríos también podrían utilizarse para la realización de ordenadores cuánticos. [4]
Las muestras de átomos ultrafríos normalmente se preparan mediante las interacciones de un gas diluido con un campo láser. Lebedev, Nichols y Hull demostraron de forma independiente la evidencia de la presión de radiación, la fuerza debida a la luz sobre los átomos, en 1901. En 1933, Otto Frisch demostró la desviación de partículas de sodio individuales por la luz generada por una lámpara de sodio.
La invención del láser impulsó el desarrollo de técnicas adicionales para manipular átomos con luz. El uso de luz láser para enfriar átomos se propuso por primera vez en 1975 aprovechando el efecto Doppler para hacer que la fuerza de radiación sobre un átomo dependiera de su velocidad, una técnica conocida como enfriamiento Doppler . También se propusieron ideas similares para enfriar muestras de iones atrapados. La aplicación de enfriamiento Doppler en tres dimensiones ralentizará los átomos a velocidades que suelen ser de unos pocos cm/s y producirá lo que se conoce como melaza óptica . [5]
Normalmente, la fuente de átomos neutros para estos experimentos eran hornos térmicos que producían átomos a temperaturas de unos pocos cientos de Kelvin. Los átomos de estas fuentes de horno se mueven a cientos de metros por segundo. Uno de los principales desafíos técnicos del enfriamiento Doppler fue aumentar la cantidad de tiempo que un átomo puede interactuar con la luz láser. Este desafío se superó con la introducción de un Zeeman Slower . Un Zeeman Slower utiliza un campo magnético que varía espacialmente para mantener el espaciamiento energético relativo de las transiciones atómicas involucradas en el enfriamiento Doppler. Esto aumenta la cantidad de tiempo que el átomo pasa interactuando con la luz láser.
El desarrollo de la primera trampa magnetoóptica (MOT) por Raab et al. En 1987 se dio un paso importante hacia la creación de muestras de átomos ultrafríos. Las temperaturas típicas alcanzadas con una ITV son de decenas a cientos de microkelvins. En esencia, una trampa magnetoóptica confina átomos en el espacio aplicando un campo magnético de modo que los láseres no sólo proporcionan una fuerza dependiente de la velocidad sino también una fuerza que varía espacialmente. El Premio Nobel de Física de 1997 [5] fue otorgado por el desarrollo de métodos para enfriar y atrapar átomos con luz láser y fue compartido por Steven Chu , Claude Cohen-Tannoudji y William D. Phillips .
El enfriamiento evaporativo se utilizó en esfuerzos experimentales para alcanzar temperaturas más bajas en un esfuerzo por descubrir un nuevo estado de la materia predicho por Satyendra Nath Bose y Albert Einstein conocido como condensado de Bose-Einstein (BEC). En el enfriamiento por evaporación, se permite que escapen los átomos más calientes de una muestra, lo que reduce la temperatura promedio de la muestra. El Premio Nobel en 2001 [1] fue otorgado a Eric A. Cornell , Wolfgang Ketterle y Carl E. Wieman por el logro del condensado de Bose-Einstein en gases diluidos de átomos alcalinos y por los primeros estudios fundamentales de las propiedades de los condensados.
Los átomos ultrafríos tienen una variedad de aplicaciones debido a sus propiedades cuánticas únicas y al gran control experimental disponible en dichos sistemas. Por ejemplo, se han propuesto átomos ultrafríos como plataforma para la computación cuántica y la simulación cuántica, [6] acompañados de una investigación experimental muy activa para lograr estos objetivos.
La simulación cuántica es de gran interés en el contexto de la física de la materia condensada, donde puede proporcionar información valiosa sobre las propiedades de los sistemas cuánticos en interacción. Los átomos ultrafríos se utilizan para implementar un análogo del sistema de materia condensada de interés, que luego se puede explorar utilizando las herramientas disponibles en la implementación particular. Dado que estas herramientas pueden diferir mucho de las disponibles en el sistema de materia condensada real, se pueden probar experimentalmente cantidades que de otro modo serían inaccesibles. Además, los átomos ultrafríos pueden incluso permitir crear estados exóticos de la materia, que de otro modo no podrían observarse en la naturaleza.
Los átomos ultrafríos también se utilizan en experimentos para realizar mediciones de precisión gracias al bajo ruido térmico y, en algunos casos, al explotar la mecánica cuántica para superar el límite cuántico estándar. Además de las posibles aplicaciones técnicas, estas mediciones de precisión pueden servir como prueba de nuestra comprensión actual de la física.