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 fines en la investigación física, son más conocidas como la última etapa en el enfriamiento de átomos para lograr la condensación de Bose-Einstein . La trampa magnética (como una 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 cuantizado , es decir, adoptará uno de ciertos valores discretos. Si el átomo se coloca en un campo magnético intenso, su momento magnético se alineará 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, los átomos cuyos momentos magnéticos están alineados con el campo tendrán energías más bajas en un campo más alto. Como una pelota que rueda cuesta abajo, estos átomos tenderán a ocupar posiciones con campos más altos y se conocen como átomos "buscadores de campo alto". Por el contrario, los átomos con momentos magnéticos alineados en sentido opuesto al campo tendrán energías más altas en un campo más alto, tenderán a ocupar posiciones con campos más bajos y se denominan átomos "buscadores de campo bajo".
Es imposible producir un máximo local de la magnitud del campo magnético en el espacio libre; sin embargo, se puede producir un mínimo local. Este mínimo puede atrapar átomos que buscan un campo bajo si no tienen suficiente energía cinética para escapar del mínimo. Por lo general, las trampas magnéticas tienen mínimos de campo relativamente poco profundos y solo pueden atrapar átomos cuyas energías cinéticas corresponden a temperaturas de una fracción de kelvin . Los mínimos de campo necesarios para el atrapamiento magnético se pueden producir de diversas formas. Estas 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] Una de las primeras trampas atómicas en forma de microchip se muestra a la derecha. El conductor en forma de Z (en realidad, la tira dorada en forma de Z pintada sobre la superficie de Si) se coloca en el campo magnético uniforme (la fuente del campo no se muestra en la figura). Solo se atraparon átomos con energía de campo de espín positiva. Para evitar la mezcla de estados de espín, el campo magnético externo se inclinó en el plano del chip, proporcionando la rotación adiabática del espín en 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 tiene 2 cm x 2 cm; este tamaño se eligió para facilitar su fabricación. En principio, el tamaño de tales trampas en forma de microchip se puede reducir drásticamente. Se puede fabricar una matriz de tales trampas con métodos litográficos convencionales ; dicha matriz se considera un prototipo de una celda de memoria de q-bit para la computadora cuántica . Se están desarrollando formas de transferir átomos y/o q-bits entre trampas; se supone que el control es óptico adiabático (con frecuencias fuera de resonancia) y/o eléctrico (con electrodos adicionales).
La condensación de Bose-Einstein (BEC) requiere condiciones de densidad y temperatura muy bajas en un gas de átomos. El enfriamiento por láser en una trampa magneto-óptica (MOT) se utiliza normalmente para enfriar átomos hasta el rango de microkelvin. Sin embargo, el enfriamiento por láser está limitado por los retrocesos de momento que un átomo recibe de fotones individuales. Para lograr la BEC es necesario 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 debe idearse un nuevo método de atrapamiento. Se han utilizado trampas magnéticas para retener átomos muy fríos, mientras que el enfriamiento por evaporación ha reducido la temperatura de los átomos lo suficiente como para alcanzar la BEC.
