En física experimental , una trampa magnética es un aparato que utiliza un gradiente de campo magnético para atrapar partículas neutras con momentos magnéticos . Aunque estas trampas se han empleado para muchos propósitos en la investigación de la física, son más conocidas como la última etapa en el enfriamiento de los átomos para lograr la condensación de Bose-Einstein . La trampa magnética (como forma de atrapar átomos muy fríos) fue propuesta por primera vez por David E. Pritchard .
Muchos átomos tienen un momento magnético; su energía se desplaza en un campo magnético según la fórmula
Según los principios de la mecánica cuántica el momento magnético de un átomo estará cuantificado ; es decir, adoptará uno de ciertos valores discretos. Si el átomo se coloca en un campo magnético fuerte, su momento magnético estará alineado con el campo. Si se colocan varios átomos en el mismo campo, se distribuirán entre los distintos valores permitidos del número cuántico magnético para ese átomo.
Si se superpone un gradiente de campo magnético al campo uniforme, aquellos átomos cuyos momentos magnéticos están alineados con el campo tendrán energías más bajas en un campo más alto. Como una bola que rueda cuesta abajo, estos átomos tenderán a ocupar lugares con campos más altos y se les conoce como átomos que "buscan campos altos". Por el contrario, aquellos átomos con momentos magnéticos alineados opuestos al campo tendrán energías más altas en un campo más alto, tenderán a ocupar ubicaciones con campos más bajos y se denominan átomos de "búsqueda de campo bajo".
Es imposible producir un máximo local de la magnitud del campo magnético en el espacio libre; sin embargo, se podrá producir un mínimo local. Este mínimo puede atrapar átomos que buscan campos bajos si no tienen suficiente energía cinética para escapar del mínimo. Normalmente, las trampas magnéticas tienen mínimos de campo relativamente poco profundos y sólo son capaces de atrapar átomos cuyas energías cinéticas corresponden a temperaturas de una fracción de kelvin . Los mínimos de campo necesarios para la captura magnética se pueden producir de diversas formas. Estos incluyen trampas de imán permanente, trampas de configuración Ioffe, trampas QUIC y otras.
La magnitud mínima del campo magnético se puede lograr con el "microchip atómico". [1] A la derecha se muestra una de las primeras trampas atómicas con microchips. El conductor en forma de Z (en realidad, la tira dorada en forma de Z pintada en la superficie de Si) se coloca en el campo magnético uniforme (la fuente del campo no se muestra en la figura). Sólo quedaron atrapados los átomos con energía de campo de espín positiva. Para evitar la mezcla de los estados de espín, se inclinó un campo magnético externo en el plano del chip, asegurando la rotación adiabática del espín con el movimiento del átomo. En la primera aproximación, la magnitud (pero no la orientación) del campo magnético es responsable de la energía efectiva del átomo atrapado. El chip que se muestra mide 2 cm x 2 cm; Este tamaño fue elegido para facilitar la fabricación. En principio, el tamaño de estas trampas de microchips se puede reducir drásticamente. Se puede fabricar una serie de trampas de este tipo con métodos litográficos convencionales; dicha matriz se considera un prototipo de celda de memoria de q bits para la computadora cuántica . Se están desarrollando formas de transferir átomos y/o bits q entre trampas; Se supone el control óptico adiabático (con frecuencias no resonantes) y/o eléctrico (con electrodos adicionales).
La condensación de Bose-Einstein (BEC) requiere condiciones de muy baja densidad y muy baja temperatura en un gas de átomos. El enfriamiento por láser en una trampa magnetoóptica (MOT) se usa típicamente para enfriar átomos hasta el rango de microkelvin. Sin embargo, el enfriamiento del láser está limitado por el impulso que recibe un átomo de fotones individuales. Lograr BEC requiere enfriar los átomos más allá de los límites del enfriamiento por láser, lo que significa que los láseres utilizados en la MOT deben apagarse y diseñarse un nuevo método de captura. Se han utilizado trampas magnéticas para mantener átomos muy fríos, mientras que el enfriamiento por evaporación ha reducido la temperatura de los átomos lo suficiente como para alcanzar BEC.
