El enfriamiento por láser incluye una serie de 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 . 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. 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 velocidades de un conjunto de partículas, enfriando así 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 manipulación atómica fue la precursora de las propuestas de enfriamiento por láser a mediados de la década de 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 por láser más simple, conocido como enfriamiento Doppler , donde la luz láser por debajo de la frecuencia resonante de un átomo se absorbe repetidamente y 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 lograron 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 de Penning a <40 Kelvin. El grupo de Washington enfrió iones de bario. Las investigaciones de ambos grupos sirvieron para ilustrar las propiedades mecánicas de la luz. [11] Por esta época, las técnicas de enfriamiento por láser habían permitido reducir las temperaturas a alrededor de 40 kelvin .
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] el nuevo mínimo se explicó por la adición de más estados atómicos en combinación con la polarización del láser. 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]
El enfriamiento por láser se utilizó principalmente para crear átomos ultrafríos . Por ejemplo, los experimentos de física cuántica deben realizarse cerca del cero absoluto , donde se pueden observar efectos cuánticos únicos, como la condensación de Bose-Einstein . El enfriamiento por láser también es una herramienta principal en los experimentos con relojes ópticos .
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 a 420 μK mediante enfriamiento optoeléctrico Sísifo. [19] En 2022, un grupo de Harvard enfrió y atrapó con éxito CaOH con láser a 720 (40) μK en una trampa magnetoóptica . [20]
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 x 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:
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