En física atómica, molecular y óptica , una trampa magnetoóptica ( MOT ) es un aparato que utiliza enfriamiento por láser y un campo magnético espacialmente variable para crear una trampa que puede producir muestras de átomos neutros y fríos . Las temperaturas alcanzadas en un MOT pueden ser tan bajas como varios microkelvin , dependiendo de la especie atómica, lo que está dos o tres veces por debajo del límite de retroceso del fotón . Sin embargo, para átomos con una estructura hiperfina no resuelta , como el 7 Li , la temperatura alcanzada en un MOT será superior al límite de enfriamiento Doppler .
Un MOT se forma a partir de la intersección de un campo magnético débil, cuadrupolar y espacialmente variable y seis haces ópticos de melaza polarizados circularmente y desafinados en rojo . A medida que los átomos se alejan del campo cero en el centro de la trampa (a medio camino entre las bobinas), el cambio de Zeeman que varía espacialmente produce una transición atómica a resonancia que da lugar a una fuerza de dispersión que empuja a los átomos de regreso al centro de la trampa. trampa. Esta es la razón por la que un MOT atrapa átomos, y debido a que esta fuerza surge de la dispersión de fotones en la que los átomos reciben "patadas" de impulso en la dirección opuesta a su movimiento, también desacelera los átomos (es decir, los enfría), en promedio, durante la absorción repetida y espontánea. ciclos de emisión . De esta manera, un MOT es capaz de atrapar y enfriar átomos con velocidades iniciales de cientos de metros por segundo hasta decenas de centímetros por segundo (de nuevo, dependiendo de la especie atómica).
Aunque las partículas cargadas pueden quedar atrapadas usando una trampa de Penning o una trampa de Paul usando una combinación de campos eléctricos y magnéticos, esas trampas son ineficaces para los átomos neutros.
Se utilizan dos bobinas en una configuración anti-Helmholtz para generar un campo magnético cuadrupolar débil; Aquí consideraremos que las bobinas están separadas a lo largo del eje. En la proximidad del campo cero, ubicado a medio camino entre las dos bobinas a lo largo de la dirección -, el gradiente de campo es uniforme y el campo mismo varía linealmente con la posición. Para esta discusión, considere un átomo con estados fundamental y excitado con y , respectivamente, donde es la magnitud del vector de momento angular total. Debido al efecto Zeeman , cada uno de estos estados se dividirá en subniveles con valores asociados de , denotados por (tenga en cuenta que el cambio de Zeeman para el estado fundamental es cero y que el campo no lo dividirá en subniveles). Esto da como resultado cambios de energía espacialmente dependientes de los subniveles del estado excitado, ya que el cambio de Zeeman es proporcional a la intensidad del campo y en esta configuración la intensidad del campo tiene una posición lineal. Como nota, la ecuación de Maxwell implica que el gradiente de campo es dos veces más fuerte a lo largo de la dirección que en las direcciones y y, por lo tanto, la fuerza de captura a lo largo de la dirección es dos veces más fuerte.
En combinación con el campo magnético, se envían pares de rayos láser polarizados circularmente que se propagan en sentido contrario a lo largo de tres ejes ortogonales, para un total de seis rayos MOT (hay excepciones a esto, pero se requiere un mínimo de cinco rayos para hacer un ITV 3D). Los rayos están desafinados del rojo de la transición en una cantidad tal que , o equivalentemente, donde es la frecuencia de los rayos láser y es la frecuencia de la transición. Los haces deben estar polarizados circularmente para garantizar que la absorción de fotones sólo pueda ocurrir en ciertas transiciones entre el estado fundamental y los subniveles del estado excitado , donde . En otras palabras, los haces polarizados circularmente imponen reglas de selección en las transiciones dipolares eléctricas permitidas entre estados.
En el centro de la trampa, el campo magnético es cero y los átomos son "oscuros" ante los fotones rojos desafinados que inciden. Es decir, en el centro de la trampa, el desplazamiento de Zeeman es cero para todos los estados y, por lo tanto, la frecuencia de transición permanece sin cambios. La desafinación de los fotones de esta frecuencia significa que no habrá una cantidad apreciable de absorción (y por tanto emisión) por parte de los átomos en el centro de la trampa, de ahí el término "oscuro". Así, los átomos más fríos y de movimiento más lento se acumulan en el centro del MOT, donde dispersan muy pocos fotones.
Consideremos ahora un átomo que se mueve en la dirección -. El efecto Zeeman reduce la energía del estado, disminuyendo la brecha de energía entre ella y el estado; es decir, la frecuencia asociada con la transición disminuye. Los fotones desafinados en rojo , que solo impulsan transiciones y se propagan en la dirección -, se acercan así a la resonancia a medida que el átomo se aleja del centro de la trampa, aumentando la tasa de dispersión y la fuerza de dispersión. Cuando un átomo absorbe un fotón, se excita hasta el estado y recibe una "patada" del momento de retroceso de un fotón, , en la dirección opuesta a su movimiento, donde . El átomo, ahora en un estado excitado, emitirá espontáneamente un fotón en una dirección aleatoria y después de muchos eventos de absorción-emisión espontánea, el átomo habrá sido, en promedio, "empujado" de regreso hacia el campo cero de la trampa. Este proceso de captura también ocurrirá para un átomo que se mueve en la dirección - si los fotones viajan en la dirección -, la única diferencia es que la excitación será de a ya que el campo magnético es negativo para . Dado que el gradiente del campo magnético cerca del centro de la trampa es uniforme, el mismo fenómeno de atrapamiento y enfriamiento ocurre también a lo largo de las direcciones y .
Matemáticamente, la fuerza de presión de radiación que experimentan los átomos en un MOT viene dada por: [2]
donde es el coeficiente de amortiguación, es el factor g de Landé y es el magnetón de Bohr.
Los fotones tienen un impulso dado por (donde está la constante de Planck reducida y el número de onda del fotón ), que se conserva en todas las interacciones átomo-fotón. Por lo tanto, cuando un átomo absorbe un fotón, recibe un impulso en la dirección del fotón antes de la absorción. Al desafinar un rayo láser a una frecuencia menor que la frecuencia resonante (también conocida como desafinación roja), la luz láser solo se absorbe si la frecuencia de la luz aumenta debido al efecto Doppler , que ocurre cada vez que el átomo se mueve hacia la fuente láser. . Esto aplica una fuerza de fricción al átomo cada vez que se mueve hacia una fuente láser.
Para que se produzca enfriamiento en todas las direcciones, el átomo debe ver esta fuerza de fricción a lo largo de los tres ejes cartesianos; Esto se logra más fácilmente iluminando el átomo con tres rayos láser ortogonales, que luego se reflejan en la misma dirección.
La captura magnética se crea agregando un campo cuadrupolo magnético que varía espacialmente al campo óptico rojo desafinado necesario para el enfriamiento del láser. Esto provoca un cambio de Zeeman en los niveles de m f sensibles al magnetismo , que aumenta con la distancia radial desde el centro de la trampa. Debido a esto, a medida que un átomo se aleja del centro de la trampa, la resonancia atómica se acerca a la frecuencia de la luz láser y es más probable que el átomo reciba un fotón hacia el centro de la trampa.
La dirección de la patada está dada por la polarización de la luz, que es circular hacia la izquierda o hacia la derecha, dando diferentes interacciones con los diferentes niveles de m f . Se utilizan las polarizaciones correctas para que los fotones que se mueven hacia el centro de la trampa estén en resonancia con el nivel de energía atómica desplazado correcto, siempre impulsando al átomo hacia el centro.
Como un átomo térmico a temperatura ambiente tiene miles de veces el impulso de un solo fotón, el enfriamiento de un átomo debe implicar muchos ciclos de absorción y emisión espontánea, y el átomo pierde hasta ħk de impulsos en cada ciclo. Debido a esto, si un átomo va a ser enfriado por láser, debe poseer una estructura de nivel de energía específica conocida como bucle óptico cerrado, donde después de un evento de excitación-emisión espontánea, el átomo siempre regresa a su estado original. 85 El rubidio, por ejemplo, tiene un circuito óptico cerrado entre el estado y el estado. Una vez en el estado excitado, al átomo se le prohíbe descomponerse a cualquiera de los estados, lo que no conservaría la paridad , y también se le prohíbe descomponerse al estado que requeriría un cambio de momento angular de −2, que no puede ser suministrado por un solo fotón.
Sin embargo, muchos átomos que no contienen bucles ópticos cerrados aún pueden enfriarse con láser mediante el uso de láseres de rebombeo que reexcitan a la población nuevamente dentro del bucle óptico después de que haya decaído a un estado fuera del ciclo de enfriamiento. La captura magnetoóptica del rubidio 85, por ejemplo, implica realizar ciclos en la transición cerrada. Sin embargo, durante la excitación, la desafinación necesaria para el enfriamiento produce una superposición pequeña, pero distinta de cero, con el estado. Si un átomo se excita a este estado, que ocurre aproximadamente cada mil ciclos, el átomo es libre de desintegrarse ya sea en el estado hiperfino superior acoplado a la luz o en el estado hiperfino inferior "oscuro". Si vuelve a caer al estado oscuro, el átomo deja de circular entre el estado terrestre y el estado excitado, y se detiene el enfriamiento y atrapamiento de este átomo. Se utiliza un láser de rebombeo que resuena con la transición para reciclar la población nuevamente en el circuito óptico para que el enfriamiento pueda continuar.
Todas las trampas magnetoópticas requieren al menos un láser de captura más cualquier láser de rebombeo necesario (ver arriba). Estos láseres necesitan estabilidad, en lugar de alta potencia, y no requieren más que la intensidad de saturación, pero sí un ancho de línea mucho menor que el ancho Doppler, generalmente varios megahercios. Debido a su bajo costo, tamaño compacto y facilidad de uso, los diodos láser se utilizan para muchas de las especies MOT estándar, mientras que el ancho de línea y la estabilidad de estos láseres se controlan mediante servosistemas , que estabilizan los láseres a una referencia de frecuencia atómica mediante el uso. por ejemplo, espectroscopia de absorción saturada y la técnica de Pound-Drever-Hall para generar una señal de bloqueo.
Empleando una rejilla de difracción bidimensional es posible generar la configuración de haces láser necesaria para una trampa magnetoóptica a partir de un único haz láser y así tener una trampa magnetoóptica muy compacta. [3]
La nube MOT se carga desde un fondo de vapor térmico, o desde un haz atómico, generalmente ralentizado hasta la velocidad de captura usando un Zeeman más lento . Sin embargo, el potencial de captura en una trampa magnetoóptica es pequeño en comparación con las energías térmicas de los átomos y la mayoría de las colisiones entre los átomos atrapados y el gas de fondo suministran suficiente energía al átomo atrapado para expulsarlo de la trampa. Si la presión de fondo es demasiado alta, los átomos son expulsados de la trampa más rápido de lo que pueden cargarse y la trampa no se forma. Esto significa que la nube MOT sólo se forma en una cámara de vacío con una presión de fondo inferior a 100 micropascales (10 −9 bar)} [4] .
La temperatura mínima y la densidad máxima de una nube en una trampa magnetoóptica están limitadas por el fotón emitido espontáneamente al enfriar cada ciclo. Mientras que la asimetría en la excitación del átomo produce fuerzas de enfriamiento y atrapamiento, la emisión del fotón emitido espontáneamente tiene una dirección aleatoria y, por lo tanto, contribuye al calentamiento del átomo. De los dos impulsos ħk que recibe el átomo en cada ciclo de enfriamiento, el primero enfría y el segundo calienta: una descripción simple del enfriamiento por láser que nos permite calcular un punto en el que estos dos efectos alcanzan el equilibrio y, por lo tanto, definir un límite de temperatura inferior. , conocido como límite de enfriamiento Doppler .
La densidad también está limitada por el fotón emitido espontáneamente. A medida que aumenta la densidad de la nube, la probabilidad de que el fotón emitido espontáneamente abandone la nube sin interactuar con más átomos tiende a cero. La absorción, por parte de un átomo vecino, de un fotón emitido espontáneamente genera un impulso de 2ħk entre el átomo emisor y el absorbente, que puede verse como una fuerza repulsiva, similar a la repulsión de Coulomb, que limita la densidad máxima de la nube.
A partir de 2022, se ha demostrado que el método funciona con moléculas triatómicas. [5] [6]
Como resultado de las bajas densidades y velocidades de los átomos logradas mediante el enfriamiento óptico, el camino libre medio en una bola de átomos enfriados por MOT es muy largo y los átomos pueden tratarse como balísticos . Esto es útil para experimentos de información cuántica donde es necesario tener tiempos de coherencia prolongados (el tiempo que pasa un átomo en un estado cuántico definido). Debido al ciclo continuo de absorción y emisión espontánea, que provoca la decoherencia , cualquier experimento de manipulación cuántica debe realizarse con los haces MOT apagados. En este caso, es común detener la expansión de los gases durante los experimentos de información cuántica cargando los átomos enfriados en una trampa dipolar .
Una trampa magnetoóptica suele ser el primer paso para lograr la condensación de Bose-Einstein . Los átomos se enfrían en un MOT hasta unas cuantas veces el límite de retroceso y luego se enfrían por evaporación, lo que reduce la temperatura y aumenta la densidad hasta la densidad del espacio de fase requerida.
Se utilizó una MOT de 133 C para realizar algunas de las mejores mediciones de violación de CP . [ cita necesaria ]
Los MOT se utilizan en una serie de tecnologías cuánticas (es decir, gradiómetros de gravedad de átomos fríos) y se han implementado en varias plataformas (es decir, vehículos aéreos no tripulados) y en varios entornos (es decir, en el fondo de pozos [7] ).
