El enfriamiento por láser incluye varias técnicas en las que átomos , moléculas y pequeños sistemas mecánicos se enfrían con luz láser. La energía dirigida de los láseres a menudo se asocia con el calentamiento de materiales, por ejemplo, el corte por láser , por lo que puede resultar contradictorio que el enfriamiento del láser a menudo dé como resultado temperaturas de la muestra cercanas al cero absoluto . Es un paso rutinario en muchos experimentos de física atómica en los que los átomos enfriados por láser se manipulan y miden posteriormente, o en tecnologías como las arquitecturas de computación cuántica basadas en átomos. El enfriamiento del láser se basa en el cambio de impulso cuando un objeto, como un átomo, absorbe y reemite un fotón (una partícula de luz). Por ejemplo, si la luz láser ilumina una nube cálida de átomos desde todas las direcciones y la frecuencia del láser se sintoniza por debajo de una resonancia atómica, los átomos se enfriarán. Este tipo común de enfriamiento del láser se basa en el efecto Doppler , donde los átomos individuales absorberán preferentemente la luz del láser en la dirección opuesta al movimiento del átomo. La luz absorbida es reemitida por el átomo en una dirección aleatoria. Después de repetidas emisiones y absorción de luz, el efecto neto sobre la nube de átomos es que se expandirán más lentamente. La expansión más lenta refleja una disminución en la distribución de velocidades de los átomos, lo que corresponde a una temperatura más baja y por lo tanto los átomos se han enfriado. Para un conjunto de partículas, su temperatura termodinámica es proporcional a la variación de su velocidad, por lo tanto, cuanto menor sea la distribución de velocidades, menor será la temperatura de las partículas.
El Premio Nobel de Física de 1997 fue otorgado a Claude Cohen-Tannoudji , Steven Chu y William Daniel Phillips "por el desarrollo de métodos para enfriar y atrapar átomos con luz láser". [1]
La presión de radiación es la fuerza que la radiación electromagnética ejerce sobre la materia. En 1873 Maxwell publicó su tratado sobre electromagnetismo en el que predijo la presión de la radiación. [2] La fuerza fue demostrada experimentalmente por primera vez por Lebedev y reportada en una conferencia en París en 1900, [3] y luego publicada con más detalle en 1901. [4] Siguiendo las mediciones de Lebedev, Nichols y Hull también demostraron la fuerza de presión de radiación en 1901, [5] con una medición refinada reportada en 1903. [6] [7]
En 1933, Otto Frisch desvió con luz un haz atómico de átomos de sodio. [8] Esta fue la primera realización de la presión de radiación que actúa sobre un absorbente resonante.
La introducción de láseres en experimentos de física atómica fue la precursora de las propuestas de enfriamiento por láser a mediados de los años 1970. El enfriamiento por láser fue propuesto por separado en 1975 por dos grupos de investigación diferentes: Hänsch y Schawlow , [9] y Wineland y Dehmelt . [10] Ambas propuestas describieron el proceso de enfriamiento del láser más simple, conocido como enfriamiento Doppler , donde la luz láser sintonizada por debajo de la frecuencia resonante de un átomo es absorbida preferentemente por los átomos que se mueven hacia el láser y, después de la absorción, se emite un fotón en una dirección aleatoria. Este proceso se repite muchas veces y en una configuración con luz de enfriamiento láser que se contrapropaga, se reduce la distribución de velocidades de los átomos. [11]
En 1977, Ashkin presentó un artículo que describe cómo se podría utilizar el enfriamiento Doppler para proporcionar la amortiguación necesaria para cargar átomos en una trampa óptica. [12] En este trabajo enfatizó cómo este proceso podría permitir mediciones espectroscópicas prolongadas sin que los átomos escapen de la trampa y propuso la superposición de trampas ópticas para estudiar las interacciones entre diferentes átomos.
Siguiendo las propuestas de enfriamiento por láser, en 1978 dos grupos de investigación: Wineland, Drullinger y Walls del NIST, y Neuhauser, Hohenstatt, Toscheck y Dehmelt de la Universidad de Washington consiguieron enfriar átomos con láser. El grupo del NIST quería reducir el efecto del ensanchamiento Doppler en la espectroscopia. Enfriaron iones de magnesio en una trampa Penning por debajo de 40 K. El grupo de Washington enfrió iones de bario. Las investigaciones de ambos grupos sirvieron para ilustrar las propiedades mecánicas de la luz. [11] Alrededor de esta época, las técnicas de enfriamiento por láser habían permitido que las temperaturas se redujeran a aproximadamente40K .
Influenciado por el trabajo de Wineland sobre el enfriamiento de iones por láser, William Phillips aplicó los mismos principios para enfriar con láser átomos neutros. En 1982, publicó el primer artículo en el que se enfriaban átomos neutros con láser. [13] El proceso utilizado ahora se conoce como el más lento de Zeeman y es una técnica estándar para ralentizar un haz atómico.
El límite de enfriamiento Doppler para las transiciones dipolares eléctricas suele ser de cientos de microkelvins. En la década de 1980, este límite se consideraba la temperatura más baja alcanzable. Entonces fue una sorpresa cuando los átomos de sodio se enfriaron a 43 microkelvin cuando su límite de enfriamiento Doppler es de 240 microkelvin, [14] esta baja temperatura imprevista se explicó considerando la interacción de la luz láser polarizada con más estados y transiciones atómicas. Se consideró que las concepciones anteriores sobre el enfriamiento por láser eran demasiado simplistas. [15] Los principales avances en refrigeración por láser en los años 70 y 80 condujeron 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 llevaron a la observación de un nuevo estado de la materia a temperaturas ultrafrías. [16] [15] El nuevo estado de la materia, el condensado de Bose-Einstein , fue observado en 1995 por Eric Cornell , Carl Wieman y Wolfgang Ketterle . [17]
En 2010, un equipo de Yale enfrió con éxito con láser una molécula diatómica . [18] En 2016, un grupo de MPQ enfrió con éxito formaldehído para420 μK mediante refrigeración optoeléctrica Sísifo. [19] En 2022, un grupo de Harvard enfrió con láser y atrapó CaOH para720(40) μK en una trampa magnetoóptica . [20]
A partir de la década de 2000, la refrigeración por láser se aplicó a pequeños sistemas mecánicos, desde pequeños voladizos hasta los espejos utilizados en el observatorio LIGO . Estos dispositivos están conectados a un sustrato más grande, como una membrana mecánica unida a un marco, o se mantienen en trampas ópticas, en ambos casos el sistema mecánico es un oscilador armónico. El enfriamiento por láser reduce las vibraciones aleatorias del oscilador mecánico, eliminando los fonones térmicos del sistema.
En 2007, un equipo del MIT enfrió con éxito con láser un objeto de escala macro (1 gramo) a 0,8 K. [21] 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 (10 μm × 1 μm) objeto mecánico a su estado fundamental cuántico. [22]
El primer ejemplo de enfriamiento por láser, y también el método más común (hasta el punto de que a menudo todavía se lo denomina simplemente "enfriamiento por láser") es el enfriamiento Doppler .
El enfriamiento Doppler, que suele ir acompañado de una fuerza de captura magnética para formar una trampa magnetoóptica , es, con diferencia, el método más común de enfriamiento por láser. Se utiliza para enfriar gases de baja densidad hasta el límite de enfriamiento Doppler , que para el rubidio -85 es de alrededor de 150 microkelvins.
En el enfriamiento Doppler, inicialmente, 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 se aplica luz desde dos direcciones opuestas, los átomos siempre dispersarán más fotones del rayo láser que apunta en dirección opuesta a su movimiento. En cada evento de dispersión, el átomo pierde un impulso igual al impulso del fotón. Si el átomo, que ahora está en estado excitado, emite un fotón espontáneamente, será impulsado por la misma cantidad de impulso, pero en una dirección aleatoria. Dado que el cambio de momento inicial es una pérdida pura (opuesta a la dirección del movimiento), mientras que el cambio posterior es aleatorio, el resultado probable del proceso de absorción y emisión es reducir el momento del átomo y, por tanto, su velocidad (siempre que su velocidad sea inicial). La velocidad era mayor que la velocidad de retroceso al dispersar un solo fotón. Si la absorción y la emisión se repiten muchas veces, la velocidad media y, por tanto, la energía cinética del átomo se reducirán. Dado que la temperatura de un grupo de átomos es una medida de la energía cinética interna aleatoria promedio, esto equivale a enfriar los átomos.
La idea del enfriamiento anti-Stokes fue propuesta por primera vez por Pringsheim en 1929. [23] Mientras que el enfriamiento Doppler reduce la temperatura de traslación de una muestra, el enfriamiento anti-Stokes disminuye la excitación vibratoria o fonónica de un medio. Esto se logra bombeando una sustancia con un rayo láser desde un estado de energía bajo a uno más alto, con la posterior emisión a un estado de energía aún más bajo. La condición principal para un enfriamiento eficiente es que la tasa de emisión anti-Stokes al estado final sea significativamente mayor que la de otros estados, así como la tasa de relajación no radiativa. Debido a que la energía vibratoria o de fonones puede ser muchos órdenes de magnitud mayor que la energía asociada con el ensanchamiento Doppler, la eficiencia de la eliminación de calor por fotón láser gastado para el enfriamiento anti-Stokes puede ser correspondientemente mayor que la del enfriamiento Doppler. El efecto de enfriamiento anti-Stokes fue demostrado por primera vez por Djeu y Whitney en gas CO2 . [24] Epstein et al. demostraron el primer enfriamiento anti-Stokes en un sólido. en 1980, en una muestra de vidrio de fluoruro dopado con iterbio. [25]
Las posibles aplicaciones prácticas para el enfriamiento de sólidos anti-Stokes incluyen láseres de estado sólido con radiación equilibrada y refrigeración óptica sin vibraciones. [26] [27]
Otros métodos de enfriamiento por láser incluyen:
El enfriamiento por láser es muy común en el campo de la física atómica. Reducir el movimiento aleatorio de los átomos tiene varios beneficios, incluida la capacidad de atrapar átomos con campos ópticos o magnéticos. Las mediciones espectroscópicas de una muestra atómica fría también habrán reducido las incertidumbres sistemáticas debidas al movimiento térmico.
A menudo se utilizan múltiples técnicas de enfriamiento por láser en un solo experimento para preparar una muestra fría de átomos, que luego se manipula y mide. En un experimento representativo, se genera un vapor de átomos de estroncio en un horno caliente que sale del horno como un haz atómico. Después de salir del horno, los átomos se enfrían mediante Doppler en dos dimensiones transversales a su movimiento para reducir la pérdida de átomos debido a la divergencia del haz atómico. Luego, el haz atómico se desacelera y se enfría con un Zeeman más lento para optimizar la eficiencia de carga de átomos en una trampa magnetoóptica (MOT), en la que Doppler enfría los átomos, que opera en el 1 S 0 → 1 P 1 con láseres a 461 nm. . El MOT pasa de usar luz a 461 nm a usar luz a 689 nm para impulsar el 1 S 0 → 3 P 1 , que es una transición estrecha, para realizar átomos aún más fríos. Luego, los átomos se transfieren a una trampa dipolar óptica donde el enfriamiento por evaporación los lleva a temperaturas en las que pueden cargarse efectivamente en una red óptica.
El enfriamiento por láser es importante para los esfuerzos de computación cuántica basados en átomos neutros e iones atómicos atrapados. En una trampa de iones, el enfriamiento Doppler reduce el movimiento aleatorio de los iones para que formen una estructura cristalina bien ordenada en la trampa. Después del enfriamiento Doppler, los iones a menudo se enfrían a su estado fundamental de movimiento para reducir la decoherencia durante las puertas cuánticas entre iones.
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