Refrigeración por láser

Principio simplificado del enfriamiento láser Doppler:

1	Un átomo estacionario ve el láser ni rojo ni azul-hijado y no absorbe el foton.
2	Un átomo que se aleja del láser lo ve enrojecido y no absorbe el foton.
3.1	Un átomo que se mueve hacia el láser lo ve inclinado y absorbe el foton, disminuyendo el átomo.
3.2	El fotono excita el átomo, moviendo un electrón a un estado cuántico superior.
3.3	El átomo reemite un fotón. Como su dirección es aleatoria, no hay cambios netos en el impulso sobre muchos ciclos de absorción y emisiones.

En la física de la materia condensada, el enfriamiento por láser incluye una serie de técnicas en las que se enfrían átomos, moléculas y pequeños sistemas mecánicos, a menudo acercándose a temperaturas cercanas al cero absoluto. Las técnicas de enfriamiento por láser se basan en el hecho de que cuando un objeto (generalmente un átomo) absorbe y vuelve a emitir un fotón (una partícula de luz), su momento cambia. Para un conjunto de partículas, su temperatura termodinámica es proporcional a la variación de su velocidad. Es decir, velocidades más homogéneas entre partículas corresponden a una temperatura más baja. Las técnicas de enfriamiento por láser combinan la espectroscopia atómica con el efecto mecánico de la luz antes mencionado para comprimir la distribución de velocidad de un conjunto de partículas, enfriando así las partículas.

El Premio Nobel de Física de 1997 se otorgó a Claude Cohen-Tannoudji, Steven Chu y William Daniel Phillips "por el desarrollo de métodos para enfriar y atrapar átomos con luz láser".

Historia

Presión de radiación

La presión de radiación es la fuerza que la radiación electromagnética ejerce sobre la materia. En 1873, Maxwell publicó su tratado sobre electromagnetismo en el que predijo la presión de radiación. La fuerza fue demostrada experimentalmente por primera vez por Lebedev e informada en una conferencia en París en 1900, y luego publicada con más detalle en 1901. Siguiendo las mediciones de Lebedev, Nichols y Hull también demostraron la fuerza de la presión de radiación en 1901, con una medida refinada reportada en 1903.

En 1933, Otto Frisch desvió un haz atómico de átomos de sodio con luz. Esta fue la primera realización de la presión de radiación actuando sobre una transición resonante.

Propuestas de refrigeración por láser

La introducción de los láseres en los experimentos de manipulación atómica actuó como el advenimiento de las propuestas de enfriamiento por láser a mediados de la década de 1970. El enfriamiento por láser fue propuesto por separado en 1975 por dos grupos de investigación diferentes: Hänsch y Schawlow, y Wineland y Dehmelt. Ambas propuestas delinearon un proceso de desaceleración de la velocidad basada en el calor en los átomos con 'fuerzas radiativas'. En el artículo de Hänsch y Schawlow, se describe el efecto de la presión de radiación sobre cualquier objeto que refleje la luz. Ese concepto se relacionó luego con el enfriamiento de los átomos en un gas. Estas primeras propuestas para el enfriamiento por láser solo se basaban en la "fuerza de dispersión", el nombre de la presión de radiación.

A fines de la década de 1970, Ashkin describió cómo las fuerzas de radiación pueden usarse para enfriar y atrapar átomos simultáneamente. Hizo hincapié en cómo este proceso podría permitir mediciones espectroscópicas prolongadas sin que los átomos escapen de la trampa y propuso la superposición de trampas ópticas para estudiar las interacciones entre diferentes átomos.

Realizaciones iniciales

Siguiendo de cerca la carta de Ashkin en 1978, dos grupos de investigación: Wineland, Drullinger y Walls, y Neuhauser, Hohenstatt, Toscheck y Dehmelt refinaron aún más ese trabajo. En concreto, Wineland, Drullinger y Walls estaban preocupados por la mejora de la espectroscopia. El grupo escribió sobre la demostración experimental del enfriamiento de los átomos a través de un proceso que usa presión de radiación. Citan un precedente para el uso de presión de radiación en trampas ópticas, pero critican la ineficacia de los modelos anteriores debido a la presencia del efecto Doppler. En un esfuerzo por disminuir el efecto, aplicaron una alternativa para enfriar los iones de magnesio por debajo del precedente de temperatura ambiente. Usando la trampa electromagnética para contener los iones de magnesio, los bombardearon con un láser apenas desfasado de la frecuencia de resonancia de los átomos. La investigación de ambos grupos sirvió para ilustrar las propiedades mecánicas de la luz. Alrededor de este tiempo, las técnicas de enfriamiento por láser habían permitido que las temperaturas bajaran a alrededor de 40 Kelvin.

William Phillips se vio influenciado por el artículo de Wineland e intentó imitarlo utilizando átomos neutros en lugar de iones. En 1982, publicó el primer artículo que describe el enfriamiento de los átomos neutros. El proceso que usó ahora se conoce como Zeeman más lento y se convirtió en una de las técnicas estándar para ralentizar un haz atómico.

Avances modernos

Átomos

Ahora, se alcanzaron temperaturas de alrededor de 240 microkelvins. Ese umbral fue el más bajo que los investigadores pensaron que era posible. Cuando las temperaturas alcanzaron los 43 microkelvins en un experimento de Steven Chu, el nuevo mínimo se explicó por la adición de más estados atómicos en combinación con la polarización láser. Se decidió que las concepciones anteriores del enfriamiento por láser eran demasiado simplistas. Los grandes avances en los años 70 y 80 en el uso de la luz láser para la refrigeración dieron lugar a varias mejoras en la tecnología preexistente y nuevos descubrimientos con temperaturas justo por encima del cero absoluto. Los procesos de enfriamiento se utilizaron para hacer que los relojes atómicos fueran más precisos y para mejorar las mediciones espectroscópicas, y condujeron a la observación de un nuevo estado de la materia a temperaturas ultrafrías. El nuevo estado de la materia, el condensado de Bose-Einstein, fue observado en 1995 por Eric Cornell, Carl Wieman y Wolfgang Ketterle.

El enfriamiento por láser se utilizó principalmente para crear átomos ultrafríos. Por ejemplo, los experimentos de física cuántica deben realizarse cerca del cero absoluto, donde se pueden observar efectos cuánticos únicos, como la condensación de Bose-Einstein. El enfriamiento por láser también es una herramienta principal en los experimentos de relojes ópticos. El enfriamiento por láser se ha utilizado principalmente en átomos, pero recientemente se han logrado avances hacia sistemas más complejos de enfriamiento por láser. Por ejemplo, un equipo de UT Austin demostró el uso del enfriamiento por láser para la manipulación y captura óptica no invasiva, una técnica que denominaron pinzas opto-refrigerativas.

Moléculas

En 2010, un equipo de Yale enfrió con láser con éxito una molécula diatómica. En 2016, un grupo de MPQ enfrió con éxito el formaldehído a 420 μK mediante el enfriamiento optoeléctrico Sisyphus. En 2022, un grupo de Harvard atrapó con éxito y enfrió con láser CaOH a una temperatura mínima de 720(40) μK en una trampa magnetoóptica.

Sistemas mecánicos

En 2007, un equipo del MIT enfrió con láser con éxito un objeto de macroescala (1 gramo) a 0,8 K. En 2011, un equipo del Instituto de Tecnología de California y la Universidad de Viena se convirtió en el primero en enfriar con láser un (10 μm x 1 μm) objeto mecánico a su estado fundamental cuántico.

Métodos

El primer ejemplo de enfriamiento por láser, y también el método más común (tanto que a menudo se le sigue llamando simplemente "enfriamiento por láser") es el enfriamiento Doppler.

Enfriamiento Doppler

Los láseres necesarios para el trapping magneto-optical de rubidium-85: (a) " b) muestran la absorción (rojo detubado a la línea punteada) y ciclo de emisión espontáneo, (c) " d) son transiciones prohibidas, (e) muestra que si un láser refrigerante excita un átomo al átomo F=3 estado, se permite desintegrar al hiperfino inferior "terk", F=2 estado, que pararía el proceso de enfriamiento, si no fuera por el láser de repumper (f).

El enfriamiento Doppler, que suele ir acompañado de una fuerza de captura magnética para generar una trampa magnetoóptica, es, con mucho, el método más común de enfriamiento por láser. Se utiliza para enfriar gases de baja densidad hasta el límite de enfriamiento Doppler, que para el rubidio-85 es de alrededor de 150 microkelvin.

En el enfriamiento Doppler, inicialmente, la frecuencia de la luz se sintoniza ligeramente por debajo de una transición electrónica en el átomo. Porque la luz está desafinada al "rojo" (es decir, a menor frecuencia) de la transición, los átomos absorberán más fotones si se mueven hacia la fuente de luz, debido al efecto Doppler. Por lo tanto, si se aplica luz desde dos direcciones opuestas, los átomos siempre dispersarán más fotones del rayo láser que apunta en dirección opuesta a su dirección de movimiento. En cada evento de dispersión, el átomo pierde un impulso igual al impulso del fotón. Si el átomo, que ahora está en estado excitado, emite un fotón espontáneamente, será impulsado por la misma cantidad de impulso, pero en una dirección aleatoria. Dado que el cambio de cantidad de movimiento inicial es una pérdida pura (opuesta a la dirección del movimiento), mientras que el cambio subsiguiente es aleatorio, el resultado probable del proceso de absorción y emisión es reducir la cantidad de movimiento del átomo y, por lo tanto, su velocidad, siempre que su velocidad inicial sea menor. la velocidad era mayor que la velocidad de retroceso de la dispersión de un solo fotón. Si la absorción y la emisión se repiten muchas veces, se reducirá la velocidad media y, por tanto, la energía cinética del átomo. Dado que la temperatura de un grupo de átomos es una medida de la energía cinética interna aleatoria promedio, esto es equivalente a enfriar los átomos.

Refrigeración anti-Stokes

La idea del enfriamiento anti-Stokes fue propuesta por primera vez por Pringsheim en 1929. Mientras que el enfriamiento Doppler reduce la temperatura de traslación de una muestra, el enfriamiento anti-Stokes disminuye la excitación vibracional o de fonones de un medio. Esto se logra bombeando una sustancia con un rayo láser desde un estado de energía bajo a uno más alto con la emisión subsiguiente a un estado de energía aún más bajo. La condición principal para un enfriamiento eficiente es que la tasa de emisión anti-Stokes al estado final sea significativamente mayor que la de otros estados, así como la tasa de relajación no radiativa. Debido a que la energía vibracional o de fonones puede ser muchos órdenes de magnitud mayor que la energía asociada con el ensanchamiento Doppler, la eficiencia de la eliminación de calor por fotón láser gastado para el enfriamiento anti-Stokes puede ser correspondientemente mayor que la del enfriamiento Doppler. El efecto de enfriamiento anti-Stokes fue demostrado por primera vez por Djeu y Whitney en gas CO₂. El primer enfriamiento anti-Stokes en un sólido fue demostrado por Epstein et al. en una muestra de vidrio de fluoruro dopado con iterbio.

Las posibles aplicaciones prácticas para el enfriamiento anti-Stokes de sólidos incluyen láseres de estado sólido equilibrados con radiación y refrigeración óptica sin vibraciones.

Otros métodos

Otros métodos de enfriamiento por láser incluyen:

• Sisyphus refrigeración
• Enfriamiento de la banda lateral resuelta
• Enfriamiento de banda lateral Raman
• Trapping selectivo de población coherente (VSCPT)
• Molases grises
• Molases ópticas
• Refrigeración mediada por la cavidad
• Uso de un Zeeman más lento
• Enfriamiento de la transparencia inducida electromagnéticamente (EIT)
• Anti-Stokes enfriamiento en sólidos
• Enfriamiento de gradiente polarización

Fuentes adicionales

• Foot, C. J. (2005). Física Atómica. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850695-9.
• Cohen-Tannoudji, Claude; Guéry-Odelin, David (2011). Avances en Física Atómica. doi:10.1142/6631. ISBN 978-981-277-496-5.
• Bowley, Roger; Copeland, Ed (2010). "Laser Cooling". Sesenta signaturas. Brady Haran para la Universidad de Nottingham.
• HiperPhysics de enfriamiento láser