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El teórico que usa espejos para inmovilizar átomos ultrafríos

Evelyn C. Ayala
17/may/2018

Como si se tratara de una competencia deportiva de judo, algunos físicos teóricos desarrollan estrategias que permitan estudiar e inmovilizar lo máximo posible a los átomos ultrafríos, oponentes complicados de vencer por tratarse de un estado cuántico de la materia que sólo se puede alcanzar en sofisticados laboratorios.

Uno de esos laboratorios se encuentra desde hace un par de años en el Instituto de Física. Y con él, un grupo de físicos teóricos que han iniciado el combate para enfriar átomos. El grupo conformado por Arturo Camacho, Rosario Paredes y Santiago Caballero, del Instituto de Física de la UNAM, publicaron en octubre del año pasado el artículo “Simulación cuántica de órdenes competitivas con fermiones en redes ópticas”, en la revista Physical Review A.

En él, proponen una técnica que permite tener mayor control con una cavidad óptica para conseguir el nivel más bajo de energía de los fermiones (en este caso compuestos o ligados al electrón), es decir, llevarlos a temperaturas muy cercanas al cero absoluto.



Representación esquemática del modelo. Crédito: Mayagüel Casañas /Diseño IFUNAM.

La fría competencia

Una medición teórica del cero absoluto equivaldría a -273 grados en la escala de Kelvin. “El rincón más alejado del Universo tiene una temperatura promedio de 3 Kelvin, y es lo que llamamos la radiación cósmica de fondo. Aquí (en el artículo), estamos hablando del orden de microkelvin (10-6) o nanokelvin (10-9)”, explica Santiago Caballero.

A pesar de que el ser humano jamás haya percibido temperaturas tan frías como el cero absoluto, eso no significa que no sea posible crearlas a nivel cuántico en el laboratorio.

Para lograrlo, el equipo de Caballero propone de manera teórica crear las condiciones que simulen los efectos que sucederían a tal temperatura, cuando muchos átomos queden en su estado más bajo de energía o, en otras palabras, se muevan muy poco.

Caballero afirma que no hay otro lugar en el Universo donde se puedan realizar estas condiciones de manera natural, salvo en experimentos como los del Laboratorio Nacional de Gases Cuánticos, construido en el Instituto de Física desde hace dos dos años.

Los reflejos de la zona de combate

La lucha de estos investigadores por enfriar un átomo fermiónico no sucede en cualquier sitio sino en una cavidad óptica, un dispositivo contenido en una trampa magneto-óptica (MOT, por sus siglas en inglés) al ultra-alto vacío.

La clave para enfriar átomos está en controlarlos con el fin de bajar su velocidad. Así que “encontramos que podemos controlar de modo externo las partes que componen a la cavidad para luego controlar a los átomos de manera óptica”, dice Caballero.

El combate inicia cuando colocan un pedazo de metal alcalino (rubidio, sodio o litio) en el aparato y lo calientan hasta convertirlo en vapor. Para reducir el movimiento de los átomos de ese vapor metálico y que se alejen de la fuente de calor, los investigadores utilizan campos magnéticos externos.

Hasta este momento, los átomos están fríos pero no lo suficiente. Entonces se utiliza la técnica de enfriamiento por evaporación en la que ocurre algo similar con una taza de café hirviendo. Mientras los átomos más calientes se liberan en forma de gas, los más fríos se quedan atrapados en la taza, o en este caso, en la trampa.

Para bajar aún más la velocidad de los átomos, los investigadores colocaron un arreglo óptico construido por un láser y pares de espejos en la trampa.

Cuando los fotones del láser se encuentran con los espejos de la cavidad óptica de alta reflectancia, se produce la reflexión de miles de millones de veces de los fotones, de tal modo que estos golpean a los átomos más fácilmente. La luz permite que los átomos se vean entre sí y se coordinen colectivamente (se auto-organicen).

Al perder energía, los investigadores ‘obligan’ a los átomos a que permanezcan lo más quietos posibles. Y aunque eso resulta ya de por sí complicado, una vez que se consigue, tienen ahora que acomodarlos en una región muy pequeña, con separaciones entre sí del tamaño de la mitad de la longitud de onda del láser. Por ejemplo, para los átomos de rubidio, si el láser es de 785 nanómetros, entonces el espacio en el que los átomos se encuentren tendrá que ser de 400 nanómetros aproximadamente.

“El modelo es muy parecido a una caja de huevos”, dice Caballero. El objetivo es lograr el acoplamiento de los átomos para que millones de ellos se comporten como si fueran uno sólo. “Los átomos son los huevos que hay que acomodar y la caja (en este caso, el haz luz) es muy parecida a cómo hacemos la descripción de los electrones de los átomos en un sólido, sea un metal o un cristal”, explica el investigador.

Utilizan la luz para construir una ‘caja’ que sirva de guía a los átomos que actúan como electrones. “Y como los ‘electrones’ se mueven cerca del núcleo del átomo en cuestión, al final pueden atraer a los átomos para se vayan acomodando en un sitio dentro de la caja y, además, todos los átomos se vean unos a otros, es decir, se reflejen miles de veces”, asegura Caballero.



Representación esquemática del modelo.

El poder de los espejos, cuando se saben acomodar

Construir esa ‘caja’ de luz donde los átomos se acoplan de manera colectiva no es trivial. Para lograrlo requieren bombear la cavidad con luz del color adecuado. Y, en consecuencia, necesitan haces lo suficientemente poderosos y espejos que propicien una alta reflectividad, que obtienen gracias al uso de más espejos en tres diferentes ejes.

En el eje de la cavidad de alta reflectancia se encuentran las ondas de láser que se bombean de manera transversal y rebotan todo el tiempo; de forma perpendicular a ese eje se forman ondas estacionarias, es decir, la interferencia que causan dos ondas de luz viajeras contrapropagantes que se encuentran en la misma frecuencia, formando la red óptica en el eje X.

Perpendicular a ese segundo eje se encuentra la repetición del arreglo anterior, o sea, dos ejes con ondas de luz que dan lugar a la red óptica en el plano X-Y. “De manera efectiva el modo de la cavidad de alta reflectancia funciona como el pegamento que permite que todos los átomos se coordinen de manera simultánea y se re-organicen espacialmente en la caja de huevos", dice Caballero.

Con este arreglo, los investigadores encontraron que los espejos de la cavidad y la distancia que hay entre ellos, además del color de láser bombeado según el tipo de metal evaporado, juegan un papel importante para crear las condiciones que de manera natural, sólo serían posibles en “el rincón más alejado del Universo”.

Al pasarlo al experimento, este modelo les puede ayudar a mantener átomos ultrafríos en cavidades de alta reflectividad y ser una herramienta única para explorar cómo interactúan. “El acoplamiento de luz y materia brinda la oportunidad controlar la interacción entre los átomos al ajustar, por ejemplo, la polarización de la luz”, dicen los científicos en su artículo.

Y con ello, pueden diseñar otras formas para organizar a los átomos así como identificar sus posibles propiedades cuánticas que pueden ser útiles en el futuro para el desarrollo de tecnologías cuánticas y dispositivos con materiales reales.