Más frío: cómo los físicos superaron el límite teórico del enfriamiento por láser y sentaron las bases para una revolución cuántica – Physics World

A finales de la década de 1960, una pequeña comunidad de investigadores comenzó a utilizar las fuerzas de la luz para empujar objetos pequeños. En la siguiente década, el campo se expandió para incluir el enfriamiento por láser, una poderosa técnica que explota la desplazamiento Doppler para producir una fuerza que sólo puede ralentizar los objetos y nunca acelerarlos. Con el paso de los años, estos nuevos experimentos de enfriamiento por láser se desarrollaron a lo largo de dos vías paralelas (iones y átomos) exploradas en Parte 1 de esta serie: “Frío: cómo los físicos aprendieron a manipular y mover partículas con enfriamiento por láser”.

En muchos sentidos, los iones tuvieron una ventaja inicial. Debido a su carga eléctrica, experimentan fuerzas electromagnéticas, que son lo suficientemente fuertes como para permitirles quedar atrapados en trampas electromagnéticas a altas temperaturas y enfriados por láseres de longitudes de onda ultravioleta. En 1981, los captadores de iones habían perfeccionado esta técnica hasta el punto de poder atrapar y detectar iones individuales y realizarles espectroscopia con una precisión sin precedentes.

Los átomos, por el contrario, necesitan ser frenados antes de que puedan quedar atrapados por fuerzas más débiles ejercidas por la luz y los campos magnéticos. Aún así, en 1985 bill phillips y colegas en el Oficina Nacional de Estándares de EE. UU. en Gaithersburg, Maryland, había utilizado la luz para frenar un haz de átomos de sodio casi hasta detenerlo y luego los había confinado en una trampa magnética. Más allá de eso, el principal desafío para los aspirantes a domadores de átomos parecía implicar aprovechar este trabajo para hacer más eficiente la captura de átomos neutros y superar los límites del proceso de enfriamiento en sí.

Ambos proyectos tendrían un éxito más allá de las expectativas de cualquiera. Y tal como vimos en la parte 1, las raíces de este éxito se remontan a Arturo Ashkin at Bell Labs.

Buena idea, ejecución inadecuada.

La última vez que vimos a Ashkin, era 1970 y acababa de desarrollar la técnica de “pinzas ópticas” que le valdría el Premio Nobel casi 50 años después. A finales de la década de 1970 estaba trabajando con sus colegas de los Laboratorios Bell en experimentos con un haz atómico. “rick freeman Tenía una máquina de haces atómicos y tenía algunos experimentos que sería interesante hacer con un haz atómico, pero no estaba muy entusiasmado con la idea de construir una máquina de haces atómicos”, recuerda el entonces colega de Ashkin, John Bjorkholm.

Al superponer un rayo láser con un rayo de átomos, Ashkin y Bjorkholm demostraron que era posible enfocar o desenfocar los átomos ajustando la frecuencia de la luz. Con el láser sintonizado en rojo (a una frecuencia ligeramente inferior a la que los átomos “quieren” absorber), la interacción entre los átomos y la luz reduciría la energía interna de los átomos (el “desplazamiento de la luz”), atrayendo átomos hacia el rayo láser. Con el láser sintonizado en azul, los átomos fueron expulsados.

Ashkin tenía varias ideas para convertir este fenómeno en un método "totalmente óptico" para atrapar átomos (es decir, sin los campos magnéticos que utilizó el grupo de Phillips). Desafortunadamente, Ashkin y Bjorkholm tuvieron dificultades para implementarlo porque el haz atómico de Freeman estaba construido con ventanas de plexiglás que no podían soportar presiones lo suficientemente bajas. Los átomos y moléculas que se filtraron desde el exterior no se vieron afectados por los láseres de enfriamiento y, como resultado, cuando chocaron con los átomos del haz, expulsaron a los átomos objetivo de la trampa. Después de algunos años de resultados decepcionantes, la dirección de los Laboratorios Bell se amargó con los experimentos y presionó a Ashkin para que se dedicara a otras cosas.

Nadadores en un fluido viscoso

Por esta época, un joven investigador con una (autodescrita) reputación como “un tipo que podía realizar experimentos difíciles” se mudó a una oficina cerca de Ashkin en las instalaciones de Bell Labs en Holmdel. Su nombre era Steve Chu, y se interesó por las ideas de Ashkin. Juntos, construyeron un sistema de vacío ultraalto adecuado para enfriar y atrapar átomos, además de un sistema para ralentizar los átomos de sodio mediante un barrido rápido de la frecuencia del láser para compensar el cambio Doppler. Esta última técnica se conoce como “enfriamiento por chirrido”; Por feliz coincidencia, los científicos que desarrollaron una de sus tecnologías clave también estaban en Holmdel.

En este punto, Chu sugirió enfriar previamente los átomos iluminándolos con tres pares perpendiculares de rayos láser que se propagan en sentido contrario, todos sintonizados a una frecuencia justo por debajo de la frecuencia de transición de los átomos, como se analiza en la parte 1. Esta configuración proporciona una fuerza de enfriamiento. en las tres dimensiones simultáneamente: un átomo que se mueve hacia arriba ve el rayo láser Doppler que desciende desplazado hacia arriba, absorbe fotones y se ralentiza; un átomo que se mueve hacia la izquierda ve los fotones del haz que se dirige hacia la derecha desplazados hacia arriba, y así sucesivamente. No importa en qué dirección se muevan los átomos, sienten una fuerza que se opone a su movimiento. La similitud con la difícil situación de un nadador en un fluido viscoso llevó a Chu a denominarlo “melaza óptica” (figura 1).

El equipo de los Laboratorios Bell hizo una demostración de melaza óptica en 1985, recolectando miles de átomos de un haz enfriado por chirrido. Como corresponde al nombre, la melaza óptica era muy "pegajosa", reteniendo los átomos en los haces superpuestos durante aproximadamente una décima de segundo (prácticamente una eternidad en física atómica) antes de que se dispersaran. Mientras se encuentran en la región de la melaza, los átomos absorben y reemiten constantemente luz de los láseres que se enfrían, por lo que aparecen como una nube brillante difusa. La cantidad total de luz proporcionó una medida sencilla del número de átomos.

Ashkin, Chu y sus colaboradores también pudieron estimar la temperatura de los átomos. Lo hicieron midiendo cuántos átomos había en la melaza, apagando la luz por un corto tiempo, luego encendiéndola de nuevo y volviendo a medir el número. Durante el intervalo de oscuridad, la nube de átomos se expandiría y algunos átomos escaparían de la región de los haces de melaza. Esta tasa de escape permitió al equipo calcular la temperatura de los átomos: alrededor de 240 microkelvin, justo en línea con el mínimo esperado para los átomos de sodio enfriados por láser.

Convertir la melaza en una trampa

A pesar de su pegajosidad, la melaza óptica no es una trampa. Aunque ralentiza los átomos, una vez que los átomos se desplazan hasta el borde de los rayos láser, pueden escapar. Una trampa, por el contrario, proporciona una fuerza que depende de la posición, empujando a los átomos de regreso a una región central.

La forma más sencilla de crear una trampa es con un rayo láser muy enfocado, similar a las pinzas ópticas que Ashkin desarrolló para atrapar objetos microscópicos. Si bien el volumen del foco láser es una pequeña fracción del volumen de la melaza, Ashkin, Bjorkholm y (de forma independiente) Chu se dieron cuenta de que, no obstante, un número significativo de átomos podría acumularse en una trampa de este tipo mediante difusión aleatoria en la melaza. Cuando añadieron un rayo láser separado a su melaza, los resultados fueron prometedores: apareció un pequeño punto brillante en la nube difusa de melaza, que representa varios cientos de átomos atrapados.

Sin embargo, ir más allá de eso presentó desafíos técnicos. El problema es que el cambio en los niveles de energía atómica que hace posible la captura óptica de un solo haz obstaculiza el proceso de enfriamiento: cuando el láser de captura reduce la energía del estado fundamental del átomo, cambia la frecuencia efectiva de desafinación del láser de enfriamiento. Usar un segundo láser y alternar entre enfriamiento y captura mejora la cantidad de átomos que pueden quedar atrapados, pero a costa de una complejidad adicional. Para seguir avanzando, los físicos necesitarían átomos más fríos o una trampa mejor.

La conexión francesa

Ambos estaban en el horizonte. Claude Cohen-Tannoudji y su grupo de la École Normale Supérieure (ENS) de París abordaban principalmente el enfriamiento por láser desde el punto de vista teórico. Juan Dalibard, entonces un recién doctorado en el grupo, recuerda haber estudiado análisis teóricos de Ashkin y Jim Gordon (“un artículo fantástico”) y por el dúo soviético de Vladilen Letokhov y Vladimir Minogin, quienes (con Boris D Pavlik) ya en 1977 dedujo la temperatura mínima alcanzable con el enfriamiento por láser.

Como vimos en la parte 1, esta temperatura mínima se conoce como límite de enfriamiento Doppler y surge de las “patadas” aleatorias que ocurren cuando los átomos reemiten fotones después de absorber luz de uno de los haces de enfriamiento. Con curiosidad por saber cuán firme era realmente este “límite”, Dalibard buscó formas de mantener los átomos “en la oscuridad” tanto como fuera posible. Para ello, aprovechó una propiedad de los átomos reales que no se refleja en la teoría estándar del enfriamiento Doppler: los estados atómicos reales no son niveles de energía únicos, sino conjuntos de subniveles con la misma energía pero diferentes momentos angulares (figura 2).

Estos diferentes subniveles, o estados de impulso, cambian de energía en presencia de un campo magnético (el efecto Zeeman). A medida que el campo se fortalece, algunos estados aumentan de energía, mientras que otros disminuyen. Estos roles luego se invierten cuando se invierte la dirección del campo. Un factor que complica aún más es que la polarización de la luz láser determina qué subniveles absorberán fotones. Mientras que una polarización mueve átomos entre estados de una manera que aumenta el momento angular, otra lo disminuye.

En su análisis teórico, Dalibard combinó estos subniveles con un campo magnético que es cero en algún punto y aumenta a medida que los átomos se mueven hacia afuera. Al hacerlo, creó una situación en la que la desafinación efectiva de la frecuencia del láser dependía de la posición de los átomos. (Phillips y sus colegas usaron una configuración similar para su trampa magnética, pero en un campo mucho más alto). Por lo tanto, los átomos podían absorber de un láser particular solo en la posición específica donde la combinación de desafinación, desplazamiento Doppler y desplazamiento de Zeeman era la correcta ( figura 3).

Dalibard esperaba que restringir la capacidad de los átomos para absorber luz de esta manera podría reducir su temperatura mínima. Después de calcular que no sería así, archivó la idea. “Vi que era una trampa, pero no buscaba una trampa, buscaba un enfriamiento sub-Doppler”, explica.

Ahí podría haber terminado si no hubiera sido por david pritchard, un físico del Instituto Tecnológico de Massachusetts que visitó el grupo de París en 1986. Durante la visita, Pritchard dio una charla sobre ideas para producir trampas de mayor volumen y terminó diciendo que agradecería otras sugerencias mejores.

“Fui a ver a Dave y le dije: 'Bueno, tengo una idea y no estoy muy seguro de que sea mejor, pero es diferente a la tuya'”, recuerda Dalibard. Pritchard llevó la idea de Dalibard a Estados Unidos y en 1987 él y Chu construyeron la primera trampa magnetoóptica (MOT) basada en el análisis de Dalibard. A Dalibard se le ofreció la coautoría del artículo resultante, pero se alegró de que simplemente lo reconocieran en los agradecimientos.

Es difícil exagerar lo revolucionario que fue la MOT para el desarrollo del enfriamiento por láser. Es un dispositivo relativamente simple, que requiere sólo una única frecuencia láser y un campo magnético relativamente débil para producir trampas fuertes. Pero lo mejor de todo es su capacidad. La primera trampa totalmente óptica de Chu y Ashkin contenía cientos de átomos, la primera trampa magnética de Phillips varios miles, pero la primera trampa magnetoóptica contenía diez millones de átomos. Junto con la introducción de láseres de diodo baratos por parte de Carl Wieman en la Universidad de Colorado (sobre lo cual hablaremos más en la parte 3 de esta serie), la llegada del MOT desencadenó una rápida explosión en el número de grupos que estudian el enfriamiento de láser en todo el mundo. El ritmo de la investigación estaba a punto de acelerarse.

La ley de Murphy se toma unas vacaciones

Mientras Pritchard y Chu construían el primer MOT, Phillips y sus colegas de Gaithersburg se topaban con un problema extremadamente inusual con su melaza óptica. Contrariamente a todas las expectativas de la física experimental, la melaza funcionó demasiado bien. De hecho, podría enfriar átomos incluso con algunos de sus rayos parcialmente bloqueados.

Este descubrimiento se produjo en parte porque se suponía que el enfriamiento por láser era un proyecto paralelo de Phillips, por lo que su laboratorio se instaló en una sala de preparación conectada a un taller de máquinas. Para evitar que se acumulara polvo y grasa en el sistema de vacío del laboratorio, los miembros del grupo cubrían las ventanas del sistema con plástico o papel de filtro por la noche. "Ocasionalmente, obtenías esta melaza de aspecto realmente distorsionado", recuerda Pablo Lett, quien se unió al grupo en 1986, “y entonces te darías cuenta de que, oh, no quitamos ese trozo de papel de filtro. Fue notable que funcionara”.

Esta sorprendente persistencia llevó a Lett a impulsar un estudio más sistemático, que incluyera un nuevo conjunto de mediciones de temperatura. El método de “liberación y recaptura” desarrollado por el grupo de los Laboratorios Bell tenía incertidumbres relativamente grandes, por lo que el grupo de Phillips probó un nuevo método que implicaba detectar la luz emitida cuando los átomos cruzaban un haz de sonda colocado cerca de la melaza. Cuando se cortaba la melaza, los átomos salían volando. El tiempo que tardaron en llegar a la sonda daría una medida directa de su velocidad y, por tanto, de su temperatura.

Como todos los experimentos de enfriamiento por láser, el laboratorio de Phillips empaquetó una gran cantidad de lentes y espejos en un espacio pequeño, y el lugar más conveniente para colocar la sonda resultó ser ligeramente por encima de la región de melaza. Esto debería haber funcionado bien para los átomos que viajaban a su velocidad límite Doppler, pero cuando Lett intentó el experimento, ningún átomo alcanzó la sonda. Finalmente, él y sus colegas cambiaron la posición de la sonda debajo de la melaza, momento en el que vieron una hermosa señal. Sólo había un problema: el límite de enfriamiento Doppler era de 240 microkelvin, pero esta medición del "tiempo de vuelo" mostró una temperatura de 40 microkelvin.

Este resultado parece violar la ley de Murphy, la máxima de que “cualquier cosa que pueda salir mal, saldrá mal”, por lo que no estaban dispuestos a aceptarlo de inmediato. Volvieron a medir la temperatura utilizando varias técnicas diferentes, incluida una liberación y recaptura mejorada, pero siguieron obteniendo el mismo resultado: los átomos estaban mucho más fríos de lo que la teoría decía que era posible.

A principios de 1988, Phillips y compañía se acercaron a otros grupos de la unida comunidad de refrigeradores láser y les pidieron que comprobaran las temperaturas en sus propios laboratorios. Chu y Wieman confirmaron rápidamente el sorprendente resultado: la melaza óptica no sólo funcionó para enfriar los átomos, sino que funcionó mejor de lo que la teoría decía.

Subiendo una colina

El grupo de París aún no tenía un programa experimental, pero Dalibard y Cohen-Tannoudji atacaron el problema teóricamente a través del mismo factor del mundo real que Dalibard utilizó para desarrollar el MOT: múltiples estados atómicos internos. El estado fundamental del sodio tiene cinco subniveles con la misma energía y la distribución de los átomos entre esos estados depende de la intensidad y polarización de la luz. Este proceso de distribución, llamado "bombeo óptico", fue fundamental para la investigación espectroscópica que se estaba llevando a cabo en la ENS de París bajo la dirección de Cohen-Tannoudji, por lo que su grupo estaba excepcionalmente bien preparado para explorar cómo estos estados adicionales podrían mejorar el enfriamiento del láser.

La característica clave resulta ser la polarización de la luz láser, que en la física clásica corresponde al eje del campo eléctrico oscilante de la luz. La combinación de seis haces que se propagan en sentido contrario produce una distribución complicada de polarizaciones a medida que los haces se combinan de diferentes maneras en diferentes lugares dentro de la melaza óptica. Los átomos se bombean ópticamente constantemente en diferentes configuraciones, lo que extiende el proceso de enfriamiento y permite temperaturas más bajas.

En el verano de 1988, Dalibard y Cohen-Tannoudji habían ideado un modelo elegante para explicar el enfriamiento subDoppler. (Chu llegó de forma independiente a un resultado similar, que recuerda haber obtenido en un tren entre dos conferencias en Europa). Consideraron un átomo simplificado con sólo dos subniveles de estado fundamental, tradicionalmente etiquetados –½ y +½, iluminado por dos rayos láser que se propagan en direcciones opuestas con polarizaciones lineales opuestas. Esto crea un patrón que alterna entre dos estados de polarización, denominado σ^– y σ⁺.

Un átomo en una región de σ^– La polarización se bombeará ópticamente al estado –½, que experimenta un gran cambio de luz que reduce su energía interna. A medida que el átomo se mueve hacia σ⁺ En la región de polarización, el desplazamiento de la luz disminuye y el átomo debe reducir la velocidad para compensar, perdiendo energía cinética para compensar el aumento de energía interna, como una pelota rodando cuesta arriba. Cuando alcanza el σ⁺ El bombeo óptico y ligero hará que cambie al estado +½, que tiene un gran cambio de luz. El átomo no recupera la energía que perdió al subir la “colina” fuera del σ^– región, sin embargo, por lo que se mueve más lento a medida que el proceso comienza de nuevo: el desplazamiento de la luz disminuye a medida que avanza hacia el siguiente σ^– región, por lo que pierde energía, luego bombea ópticamente a –½, y así sucesivamente.

Este proceso de pérdida de energía al escalar “colinas” constantemente le dio un nombre vívido: Dalibard y Cohen-Tannoudji lo llamaron enfriamiento de Sísifo, en honor al rey del mito griego que fue condenado a pasar la eternidad empujando una roca colina arriba solo para que la roca resbalara. de distancia y regresar al fondo (figura 4). Los átomos de la melaza óptica se encuentran en una situación similar, siempre subiendo colinas y perdiendo energía sólo para que el bombeo óptico los devuelva al fondo y los obligue a empezar de nuevo.

Las recompensas de Sísifo

La teoría detrás del enfriamiento de Sísifo hace predicciones concretas sobre las temperaturas mínimas y cómo dependen de la desafinación del láser y el campo magnético. Estas predicciones fueron rápidamente confirmadas en laboratorios de todo el mundo. En otoño de 1989 el Revista de la Sociedad Óptica de América B publicó un número especial sobre enfriamiento por láser que contenía resultados experimentales del grupo de Phillips en Gaithersburg, la teoría de Sísifo de París y un artículo combinado experimental y teórico del grupo de Chu, que para entonces se había trasladado de los Laboratorios Bell a la Universidad de Stanford en California. Durante la mayor parte de la siguiente década, este número especial fue considerado como la fuente definitiva para los estudiantes que buscaban comprender el enfriamiento por láser, y Cohen-Tannoudji y Chu continuaron compartiendo el 1997 Premio Nobel de Física con Phillips.

Llevado al límite, el efecto Sísifo puede enfriar los átomos hasta el punto en que ya no tienen suficiente energía para escalar ni siquiera una sola “colina” y, en cambio, quedan confinados a una pequeña región de una única polarización. Este confinamiento es tan estricto como lo es para los iones atrapados, lo que hace que las dos ramas del enfriamiento por láser sean muy simétricas. A principios de la década de 1990, los iones atrapados y los átomos neutros podían enfriarse a un régimen en el que sus naturalezas cuánticas se hicieran evidentes: un solo ion en una trampa, o un átomo en un "pozo" creado en el enfriamiento de Sísifo, sólo puede existir en cierta energía discreta. estados. Estos estados discretos pronto se midieron para ambos sistemas; hoy en día, son una parte esencial de la computación cuántica con átomos e iones.

Otra vía de investigación intrigante se refería a los propios pozos. Estos se forman cuando los rayos de luz interfieren y se presentan naturalmente en grandes conjuntos con un espaciado de la mitad de la longitud de onda del láser. La naturaleza periódica de las llamadas redes ópticas imita la estructura microscópica de la materia sólida, donde los átomos desempeñan el papel de electrones en una red cristalina. Esta similitud convierte a los átomos atrapados en una plataforma útil para explorar fenómenos físicos de materia condensada como la superconductividad.

Sin embargo, para explorar realmente la superconductividad con átomos fríos, la red debe cargarse con átomos con una densidad más alta y una temperatura incluso más baja que la que se puede lograr con el enfriamiento de Sísifo. Como veremos en la parte 3, llegar allí requeriría otro conjunto nuevo de herramientas y técnicas, y abriría la posibilidad de crear no sólo análogos de sistemas conocidos, sino estados de la materia completamente nuevos.

• Parte 3 de la historia del enfriamiento por láser mediante chad orzel se publicará pronto en Mundo de la física

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/