En física de la materia condensada , un átomo ultrafrío es un átomo con una temperatura cercana al cero absoluto . A esas temperaturas, las propiedades mecánico-cuánticas del átomo adquieren importancia.
Para alcanzar temperaturas tan bajas, normalmente se debe utilizar una combinación de varias técnicas. [1] Primero, los átomos se atrapan y se enfrían previamente mediante enfriamiento 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, 1989, 1996, 1997, 2001, 2005, 2012, 2018).
Los experimentos con átomos ultrafríos estudian una variedad de fenómenos, incluyendo transiciones de fase cuántica , condensación de Bose-Einstein (BEC), superfluidez bosónica , magnetismo cuántico , dinámica de espín de muchos cuerpos, estados de Efimov , superfluidez de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) y el cruce BEC-BCS. [2] Algunas de estas direcciones de investigación utilizan sistemas de átomos ultrafríos como simuladores cuánticos para estudiar la física de otros sistemas, incluyendo el gas unitario de Fermi y los modelos de Ising y Hubbard . [3] Los átomos ultrafríos también podrían usarse para la realización de computadoras cuánticas. [4] [5]
Las muestras de átomos ultrafríos se preparan normalmente mediante la interacción de un gas diluido con un campo láser. En 1901, Lebedev, Nichols y Hull demostraron de forma independiente la existencia de presión de radiación, la fuerza que ejerce la luz sobre los átomos. En 1933, Otto Frisch demostró la desviación de partículas individuales de sodio mediante 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 la 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 dependa de su velocidad, una técnica conocida como enfriamiento Doppler . También se propusieron ideas similares para enfriar muestras de iones atrapados. La aplicación del enfriamiento Doppler en tres dimensiones reducirá la velocidad de los átomos a unos pocos cm/s y producirá lo que se conoce como melaza óptica . [6]
Por lo general, la fuente de átomos neutros para estos experimentos eran hornos térmicos que producían átomos a temperaturas de unos pocos cientos de kelvins. Los átomos de estas fuentes de hornos se mueven a cientos de metros por segundo. Uno de los principales desafíos técnicos en el 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 de energía relativa de las transiciones atómicas involucradas en el enfriamiento Doppler. Esto aumenta la cantidad de tiempo que el átomo pasa interactuando con la luz láser. Los experimentos también pueden utilizar dispensadores de metal, que son varillas de metal puro (normalmente metales alcalinos ) que pueden emitir cuando se calientan (la presión de vapor es mayor) con corriente eléctrica.
El desarrollo de la primera trampa magneto-óptica (MOT) por Raab et al. en 1987 fue un paso importante hacia la creación de muestras de átomos ultrafríos. Las temperaturas típicas alcanzadas con una MOT son de decenas a cientos de microkelvins. En esencia, una trampa magneto-óptica confina los átomos en el espacio mediante la aplicación de un campo magnético de modo que los láseres no solo proporcionan una fuerza dependiente de la velocidad sino también una fuerza que varía espacialmente. El premio Nobel de Física de 1997 [6] 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 por evaporación 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 los átomos más calientes de una muestra escapen, 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.
En los últimos años, una variedad de técnicas de enfriamiento sub-Doppler , incluyendo el enfriamiento por gradiente de polarización , el enfriamiento por melaza gris y el enfriamiento por banda lateral Raman , han permitido el enfriamiento y atrapamiento de átomos individuales en pinzas ópticas . [7] [8] [9] Las plataformas experimentales que aprovechan átomos neutros ultrafríos en pinzas ópticas y redes ópticas se han convertido en un entorno cada vez más popular para estudiar la computación cuántica, la simulación cuántica y la metrología de precisión . Los átomos con transiciones de ciclo cerrado, capaces de dispersar muchos fotones con una baja probabilidad de desintegración en otros estados, son opciones comunes de especies para experimentos de átomos neutros ultrafríos. Las transiciones de estructura fina de menor energía en átomos alcalinos permiten la obtención de imágenes de fluorescencia, mientras que una combinación de subniveles hiperfinos y Zeeman se puede utilizar para implementar el enfriamiento sub-Doppler. Los átomos de tierras alcalinas también han ganado popularidad debido a las transiciones de enfriamiento de ancho de línea estrecho y las transiciones de reloj óptico ultraestrechas.
Los átomos ultrafríos tienen una variedad de aplicaciones debido a sus propiedades cuánticas únicas y al gran control experimental disponible en tales sistemas. Por ejemplo, los átomos ultrafríos se han propuesto como una plataforma para la computación cuántica y la simulación cuántica, [10] acompañada 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 en gran medida de las disponibles en el sistema de materia condensada real, se pueden investigar 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 se podrían observar en la naturaleza.
Todos los átomos son idénticos, lo que hace que los conjuntos de átomos sean ideales para el cronometraje universal. En 1967, la definición del segundo en el SI se modificó para hacer referencia a una frecuencia de transición hiperfina en los átomos de cesio. Ahora se han desarrollado relojes atómicos basados en átomos de tierras alcalinas o iones similares a las tierras alcalinas (como Al + ) que utilizan transiciones ópticas de línea estrecha. Para lograr un gran número de átomos que no interactúen, lo que ayuda a la precisión de estos relojes, los átomos neutros pueden quedar atrapados en redes ópticas. Por otro lado, las trampas de iones permiten tiempos de interrogación largos.
Los átomos ultrafríos también se utilizan en experimentos para realizar mediciones de precisión gracias al bajo ruido térmico y, en algunos casos, al aprovechamiento de la mecánica cuántica para superar el límite cuántico estándar. Además de las posibles aplicaciones técnicas, estas mediciones de precisión pueden servir para poner a prueba nuestra comprensión actual de la física.