El mundo de un átomo es uno de caos y calor aleatorios. A temperatura ambiente, una nube de átomos es un desastre frenético, con átomos que se cruzan y chocan, cambiando constantemente su dirección y velocidad.
Tales movimientos aleatorios pueden ralentizarse e incluso detenerse por completo, enfriando drásticamente los átomos. En un cabello por encima del cero absoluto, los átomos previamente frenéticos se transforman en un estado casi zombi, moviéndose como una formación ondulatoria, en un cuantoforma de materia conocida como condensado de Bose-Einstein.
Desde que los primeros condensados de Bose-Einstein fueron producidos con éxito en 1995 por investigadores en Colorado y por Wolfgang Ketterle y sus colegas en el MIT, los científicos han estado observando sus extrañas propiedades cuánticas para obtener información sobre una serie de fenómenos, incluidos el magnetismo y la superconductividadPero enfriar los átomos en condensados es lento e ineficiente, y más del 99 por ciento de los átomos en la nube original se pierden en el proceso.
Ahora, los físicos del MIT han inventado una nueva técnica para enfriar átomos en condensados, que es más rápida que el método convencional y conserva una gran fracción de los átomos originales. El equipo utilizó un nuevo proceso de enfriamiento por láser para enfriar una nube de átomos de rubidiodesde temperatura ambiente hasta 1 microkelvin, o menos de una millonésima de grado por encima del cero absoluto.
Con esta técnica, el equipo pudo enfriar 2,000 átomos, y de eso, generar un condensado de 1,400 átomos, conservando el 70 por ciento de la nube original. Sus resultados se publican hoy en la revista ciencia .
"La gente está tratando de usar condensados de Bose-Einstein para comprender el magnetismo y la superconductividad, así como también usarlos para fabricar giroscopios y relojes atómicos", dice Vladan Vuleti ?, el profesor de física Lester Wolfe en el MIT. "Nuestra técnica podría comenzarpara acelerar todas estas consultas "
Vuleti? Es el autor principal del artículo, que también incluye al primer autor y asistente de investigación Jiazhong Hu, así como a Zachary Vendeiro, Valentin Crépel, Alban Urvoy y Wenlan Chen.
"Una pequeña fracción y un gran inconveniente"
Los científicos han creado convencionalmente condensados de Bose-Einstein a través de una combinación de enfriamiento por láser y enfriamiento por evaporación. El proceso generalmente comienza al hacer brillar rayos láser desde varias direcciones en una nube de átomos. Los fotones en el haz actúan como pequeñas bolas de ping pong, rebotandoLos átomos del láser también actúan para comprimir la nube de átomos, limitando su movimiento y enfriándolos en el proceso. Pero los investigadores han descubierto que hay un límite en cuanto a cómo eliminar los átomos mucho más grandes, del tamaño de una pelota de baloncesto, y ralentizarlos un poco en cada colisión.tanto puede un láser enfriar los átomos: cuanto más densa se vuelve una nube, menos espacio hay para que los fotones se dispersen; en cambio, comienzan a generar calor.
En este punto del proceso, los científicos normalmente apagan la luz y cambian a enfriamiento por evaporación, que Vuleti describe como "como enfriar una taza de café: solo esperas a que escapen los átomos más calientes". Pero esto es lentoproceso que finalmente elimina más del 99 por ciento de los átomos originales para retener los átomos que están lo suficientemente fríos como para convertirse en condensados de Bose-Einstein.
"Al final, debes comenzar con más de 1 millón de átomos para obtener un condensado que consta de solo 10,000 átomos", dice Vuleti? "Eso es una fracción pequeña y un gran inconveniente".
Afinando un giro
Vuleti? Y sus colegas encontraron una manera de sortear las limitaciones iniciales del enfriamiento por láser, para enfriar átomos en condensados utilizando luz láser de principio a fin, un enfoque mucho más rápido y conservador de átomos que describe como un "sueño de larga data"entre físicos en el campo.
"Lo que inventamos fue un nuevo giro en el método para hacerlo funcionar a altas densidades [atómicas]", dice Vuleti?
Los investigadores emplearon técnicas convencionales de enfriamiento por láser para enfriar una nube de átomos de rubidio hasta justo por encima del punto en el que los átomos se comprimen tanto que los fotones comienzan a calentar la muestra.
Luego cambiaron a un método conocido como enfriamiento Raman, en el que utilizaron un conjunto de dos rayos láser para enfriar aún más los átomos. Sintonizaron el primer haz para que sus fotones, cuando fueran absorbidos por los átomos, volvieran la cinética de los átomosenergía en energía magnética. Los átomos, en respuesta, se desaceleraron y se enfriaron aún más, manteniendo su energía total original.
El equipo apuntó un segundo láser a la nube muy comprimida, que se sintonizó de tal manera que los fotones, cuando fueron absorbidos por los átomos más lentos, eliminaron la energía total de los átomos, enfriándolos aún más.
"En última instancia, los fotones le quitan la energía del sistema en un proceso de dos pasos", dice Vuleti? "En un paso, eliminas la energía cinética, y en el segundo paso, eliminas la energía total y reduces el trastorno, lo que significa que lo has enfriado "
Explica que al eliminar la energía cinética de los átomos, uno esencialmente está eliminando sus movimientos aleatorios y haciendo la transición de los átomos a un comportamiento cuántico más uniforme que se asemeja a los condensados de Bose-Einstein. Estos condensados pueden tomar forma cuando los átomos tienenperdió su energía total y se enfrió lo suficiente como para residir en sus estados cuánticos más bajos.
Para llegar a este punto, los investigadores descubrieron que tenían que ir un paso más allá para enfriar completamente los átomos en condensados. Para ello, necesitaban sintonizar los láseres lejos de la resonancia atómica, lo que significa que la luz podría escapar más fácilmente deátomos sin empujarlos y calentarlos.
"Los átomos se vuelven casi transparentes para los fotones", dice Vuleti?
Esto significa que los fotones entrantes tienen menos probabilidades de ser absorbidos por los átomos, lo que desencadena vibraciones y calor. En cambio, cada fotón rebota en un solo átomo.
"Antes, cuando entraba un fotón, se dispersaba por, digamos, 10 átomos antes de salir, por lo que hizo que 10 átomos se agitaran", dice Vuleti ". Si desconecta el láser de la resonancia, ahora el fotóntiene una buena posibilidad de escapar antes de golpear cualquier otro átomo. Y resulta que al aumentar la potencia del láser, puede recuperar la velocidad de enfriamiento original ".
El equipo descubrió que con su técnica de enfriamiento por láser, pudieron enfriar átomos de rubidio de 200 microkelvin a 1 microkelvin en solo 0.1 segundos, en un proceso que es 100 veces más rápido que el método convencional. Además, la muestra final del grupode condensados de Bose-Einstein contenían 1.400 átomos, de una nube original de 2.000, conservando una fracción mucho mayor de átomos condensados en comparación con los métodos existentes.
"Cuando era un estudiante graduado, la gente había probado muchos métodos diferentes simplemente usando enfriamiento por láser, y no funcionó, y la gente se dio por vencida. Fue un sueño de larga data hacer que este proceso sea más simple, más rápido y más robusto".Vuleti dice: "Así que estamos muy entusiasmados de probar nuestro enfoque en nuevas especies de átomos, y creemos que podemos lograr que produzca condensados 1,000 veces más grandes en el futuro".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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