El enfriamiento por láser incluye varias técnicas en las que los átomos , las moléculas y los 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 por láser a menudo dé como resultado temperaturas de 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 por láser se basa en el cambio de momento 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 está sintonizada por debajo de una resonancia atómica, los átomos se enfriarán. Este tipo común de enfriamiento por láser se basa en el efecto Doppler , donde los átomos individuales absorberán preferentemente la luz láser desde la dirección opuesta al movimiento del átomo. La luz absorbida es reemitida por el átomo en una dirección aleatoria. Después de repetidas emisiones y absorciones 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 velocidad 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 en 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 ejerce la radiación electromagnética sobre la materia. En 1873, Maxwell publicó su tratado sobre electromagnetismo en el que predijo la presión de 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] Después de las mediciones de Lebedev, Nichols y Hull también demostraron la fuerza de la presión de radiación en 1901, [5] con una medición refinada reportada en 1903. [6] [7]
Los átomos y las moléculas tienen estados ligados y pueden producirse transiciones entre estos estados en presencia de luz. El sodio es históricamente notable porque tiene una fuerte transición a 589 nm, una longitud de onda que está cerca de la sensibilidad máxima del ojo humano. Esto hizo que fuera fácil ver la interacción de la luz con los átomos de sodio. En 1933, Otto Frisch desvió un haz atómico de átomos de sodio con luz. [8] Esta fue la primera vez que se descubrió la presión de radiación que actúa sobre un átomo o molécula.
La introducción de láseres en experimentos de física atómica fue el precursor de las propuestas de enfriamiento láser a mediados de la década de 1970. El enfriamiento 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 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 contrapropagante se reduce la distribución de velocidad de los átomos. [11]
En 1977, Ashkin presentó un artículo en el que describía cómo se podía utilizar el enfriamiento Doppler para proporcionar la amortiguación necesaria para cargar átomos en una trampa óptica. [12] En este trabajo, destacó cómo esto podría permitir mediciones espectroscópicas prolongadas que aumentarían la precisión porque los átomos se mantendrían en su lugar. También analizó las trampas ópticas superpuestas para estudiar las interacciones entre diferentes átomos.
En 1978, tras las propuestas de refrigeración por láser, dos grupos de investigación formados por Wineland, Drullinger y Walls, del NIST, y Neuhauser, Hohenstatt, Toscheck y Dehmelt, de la Universidad de Washington, consiguieron enfriar átomos mediante láser. El grupo del NIST quería reducir el efecto del ensanchamiento Doppler sobre la espectroscopia. Enfriaron iones de magnesio en una trampa de Penning a temperaturas inferiores a 40 K. El grupo de Washington enfrió iones de bario. La investigación de ambos grupos sirvió para ilustrar las propiedades mecánicas de la luz. [11]
Influenciado por el trabajo de Wineland sobre el enfriamiento de iones mediante láser, William Phillips aplicó los mismos principios para enfriar con láser átomos neutros. En 1982, publicó el primer artículo en el que se enfriaron átomos neutros mediante láser. [13] El proceso utilizado se conoce ahora como el proceso de ralentización Zeeman y es una técnica estándar para ralentizar un haz atómico.
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El límite de enfriamiento Doppler para las transiciones dipolares eléctricas se encuentra típicamente en cientos de microkelvins. En la década de 1980, este límite se consideró como la temperatura más baja alcanzable. Fue una sorpresa entonces 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 atómicos y transiciones. Se decidió que las concepciones anteriores del enfriamiento láser habían sido demasiado simplistas. [15] Los principales avances en enfriamiento láser en los años 70 y 80 llevaron a varias mejoras en la tecnología preexistente y 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 para mejorar las mediciones espectroscópicas, y llevaron a la observación de un nuevo estado de la materia a temperaturas ultra frías. [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]
La mayoría de los experimentos de enfriamiento por láser llevan los átomos casi al estado de reposo en el marco del laboratorio, pero también se ha logrado enfriar átomos relativistas, donde el efecto del enfriamiento se manifiesta como un estrechamiento de la distribución de velocidad. En 1990, un grupo de la JGU enfrió con éxito por láser un haz de 7 Li + a13,3 MeV en un anillo de almacenamiento [18] de260 K a menos de2,9 K , utilizando dos láseres que se propagan en sentido contrario y que abordan la misma transición, pero a514,5 nm y584,8 nm , respectivamente, para compensar el gran desplazamiento Doppler .
También se ha demostrado el enfriamiento por láser de la antimateria, por primera vez en 2021 por la colaboración ALPHA sobre átomos de antihidrógeno. [19]
Las moléculas son mucho más difíciles de enfriar con láser que los átomos porque las moléculas tienen grados de libertad vibracionales y rotacionales. Estos grados de libertad adicionales dan como resultado más niveles de energía que se pueden completar a partir de desintegraciones de estados excitados, lo que requiere más láseres en comparación con los átomos para abordar la estructura de niveles más complejos. Las desintegraciones vibracionales son particularmente desafiantes porque no existen reglas de simetría que restrinjan los estados vibracionales que se pueden completar.
En 2010, un equipo de Yale enfrió con éxito mediante láser una molécula diatómica . [20] En 2016, un grupo de MPQ enfrió con éxito el formaldehído a420 μK mediante enfriamiento optoeléctrico Sisyphus. [21] En 2022, un grupo de Harvard enfrió con éxito con láser y atrapó CaOH para720(40) μK en una trampa magneto-óptica . [22]
A partir de la década de 2000, el enfriamiento 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 mediante láser un objeto de escala macro (1 gramo) a 0,8 K. [23] En 2011, un equipo del Instituto Tecnológico de California y la Universidad de Viena se convirtió en el primero en enfriar con láser un objeto mecánico (10 μm × 1 μm) a su estado fundamental cuántico. [24]
El primer ejemplo de enfriamiento por láser, y todavía el método más común (tanto que todavía se lo suele llamar simplemente "enfriamiento por láser") es el enfriamiento Doppler .
El enfriamiento Doppler, que suele ir acompañado de una fuerza de atrapamiento magnético 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 unos 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 haz láser que apunta en dirección opuesta a su dirección de movimiento. En cada evento de dispersión, el átomo pierde un momento igual al momento del fotón. Si el átomo, que ahora está en el estado excitado, emite un fotón espontáneamente, será expulsado por la misma cantidad de momento, pero en una dirección aleatoria. Como 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 lo tanto, su velocidad , siempre que su velocidad inicial sea mayor que la velocidad de retroceso al dispersar un solo fotón. Si la absorción y la emisión se repiten muchas veces, la velocidad promedio y, por lo tanto, la energía cinética del átomo, se reducirán. Como la temperatura de un grupo de átomos es una medida de la energía cinética interna aleatoria promedio, esto es equivalente a enfriar los átomos.
El enfriamiento por fluorescencia anti-Stokes permite enfriar muestras macroscópicas con láseres. La idea del enfriamiento anti-Stokes fue propuesta por primera vez por Pringsheim en 1929. [25] Mientras que el enfriamiento Doppler reduce la temperatura de traslación de una muestra, el enfriamiento anti-Stokes disminuye la excitación vibracional o fonónica de un medio. Esto se logra bombeando una sustancia con un haz láser desde un estado de energía baja a uno más alto con la posterior emisión a un estado de energía aún más baja. 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 radiactiva. Debido a que la energía vibracional o fonónica puede ser muchos órdenes de magnitud mayor que la energía asociada con el ensanchamiento Doppler, la eficiencia de 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 . [26] El primer enfriamiento anti-Stokes en un sólido fue demostrado por Epstein et al. en 1980, en una muestra de vidrio de fluoruro dopado con iterbio. [27]
Desde sus inicios, los avances en la pureza de los materiales y las técnicas ópticas han permitido enfriar muestras en decenas de grados kelvin. [28] [29] Además, el número de materiales en los que se ha observado enfriamiento se ha expandido enormemente para incluir muchos vidrios y cristales dopados. [30]
Las posibles aplicaciones prácticas del enfriamiento anti-Stokes de sólidos incluyen láseres de estado sólido con radiación equilibrada y refrigeración óptica sin vibraciones. [31] [32]
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 varias ventajas, incluida la capacidad de atrapar átomos con campos ópticos o magnéticos. Las mediciones espectroscópicas de una muestra atómica fría también reducirán las incertidumbres sistemáticas debidas al movimiento térmico.
A menudo se utilizan múltiples técnicas de enfriamiento láser en un solo experimento para preparar una muestra fría de átomos, que luego se manipula y se 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 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 ralentiza y se enfría con un ralentizador Zeeman para optimizar la eficiencia de carga de átomos en una trampa magnetoóptica (MOT), que enfría los átomos por Doppler, que opera en 1 S 0 → 1 P 1 con láseres a 461 nm. La MOT pasa de usar luz a 461 nm a usar luz a 689 nm para impulsar 1 S 0 → 3 P 1 , que es una transición estrecha, para obtener 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 eficazmente 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 suelen enfriarse hasta su estado fundamental de movimiento para reducir la decoherencia durante las puertas cuánticas entre iones.
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