Átomos ultra-fríos corren alrededor de un circuito láser

El primer circuito de átomos ultra-fríos ha sido desvelado por físicos de los Estados Unidos. El equipo ya ha demostrado cómo la corriente atómica del circuito puede controlarse con precisión, y cree que podrían usarse circuitos similares en sensores de rotación ultra-sensibles.

Anteriormente, los físicos habían creado circuitos de helio superfluido – un estado líquido de viscosidad cero que se produce a temperaturas por debajo de 2 K. Sin embargo, los circuitos de átomos ultra-fríos mucho más diluidos son más interesantes para los físicos debido a que las interacciones entre los átomos son más débiles y fáciles de describir matemáticamente. Como resultado, los ensamblajes de átomos ultra-fríos se usan rutinariamente para estudiar la física de los sistemas cuánticos.

BEC en forma de rosquilla


Kevin Wright y sus colegas del Joint Quantum Institute en Gaithersburg, Maryland crearon el circuito a partir de un condensado Bose-Einstein (BEC) de átomos de sodio. Los BECs se forman cuando átomos idénticos con espín entero se enfrían hasta que todos los átomos están en el mismo estado cuántico – y se comportan como una única partícula cuántica.

El equipo empezó enfriando mediante un láser los átomos de sodio en un haz, y capturando aproximadamente mil millones de ellos en una trampa magnética. La fuerza del campo que los atrapa se reduce entonces para permitir que los átomos más energéticos reboten, reduciendo así más la temperatura del resto de átomos. El resultado es una colección de unos 300 000 átomos a una temperatura de 10 nK, que es lo bastante fría para formar un BEC.

Rosquilla aplastada

Entonces, el equipo capturó el BEC en lásers cruzados, eliminando la trampa magnética. Uno de los haces láser era cilíndrico, mientras que el otro era como una lámina. Juntos, los dos lásers configuraban un campo que provocaba que los átomos de sodio se reuniesen en una forma similar a la de una rosquilla aplastada, con un radio de unos 20 µm.

De acuerdo con Wright, la suavidad del contenedor óptico creado por los dos lásers es clave para el éxito del grupo. “Puedes imaginar que si tienes un cubo muy abollado, terminarás con un montón de pequeñas piscinas”, explica. Pero en el campo láser cuidadosamente creado, los átomos son capaces de asentarse uniformemente en el anillo, creando un bucle continuo.

También es importante cómo empezó el equipo la rotación sin romper el BEC, lo cual se hizo iluminando dos lásers sobre el condensado. Los fotones de un láser caen en espiral, portando momento angular, pero los del otro láser no llevan ninguno. Los lásers se ajustan para forzar a los átomos que absorban fotones de un haz y los emitan en el otro. Como resultado, captan momento angular, y el condensado empieza a rotar.

Flujo turbulento

Los investigadores también fueron capaces de aumentar la corriente obstruyendo el condensado en giro. Esto se hizo focalizando una luz láser azul en el anillo. La forma elíptica del haz láser está de lado respecto a la corriente de átomos, creando una zona llana en el flujo de átomos de sodio. Como un río que corre por una región poco profunda, la corriente acelera cuando pasa la obstrucción. Cuanto mayor sea la obstrucción, más rápido tiene que ir la corriente sobre ella, y el flujo se hará turbulento a cierta velocidad crítica.

Esta velocidad crítica ha captado la atención de otros físicos, incluyendo a Francesco Piazza de la Universidad de Trento en Italia. “La cuestión de la velocidad crítica del superfluido en la presencia obstrucciones es una problema antiguo”, dice Piazza. Sus resultados parecen estar de acuerdo con la descripción del vórtice propuesta por Richard Feynman en 1955 y Piazza encuentra esto interesante, aunque son necesarios modelos más precisos para dar unos resultados concluyentes.

El BEC está gobernado por la mecánica cuántica y, por tanto, sólo puede rotar en un conjunto de velocidades angulares discretas. Los investigadores eligen la menor posible – aproximadamente un ciclo por segundo. Wright dice que la propia rotación puede verse como un vórtice atrapado en el centro del anillo que no puede escapar a través del superfluido. Pero una vez que el flujo se hace turbulento, el vórtice puede salir del bucle, y la rotación se detiene.

Como en muchos experimentos con átomos ultra-fríos, no es posible estudiar directamente el BEC atrapado – en lugar de eso debe liberarse de la trampa para echar un vistazo a sus propiedades. Un destello láser arroja una sombra de la nube de átomos, revelando su distribución de densidad. El tamaño del agujero en el patrón está relacionado con cómo de rápido ha estado rotando el condensado. Los átomos tienden a dispersarse hacia fuera más que hacia dentro si han estado gurando rápidamente, pero el agujero desaparece si el BEC deja de girar. La velocidad crítica a la que cesa la rotación en el condensado proporciona un banco de pruebas para medir la rotación fuera del dispositivo, lo cual significa que podría usarse como un detector de rotación muy sensible.

Brian Anderson de la Universidad de Arizona en Tucson cree que los circuitos atómicos podrían también ser la base de dispositivos más complejos. “Comprender la respuesta de un superfluido atómico respecto a una barrera es, por tanto, el primer paso importante adelante hacia una realización final de tales circuitos”, dice.

El artículo que describe el trabajo se ha aceptado para su publicación en la revista Physical Review Letters y hay un borrador disponible en arXiv .


Autor: Kate McAlpine
Fecha Original: 9 de febrero de 2011
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Comments (3)

  1. Información Bitacoras.com…

    Valora en Bitacoras.com: El primer circuito de átomos ultra-fríos ha sido desvelado por físicos de los Estados Unidos. El equipo ya ha demostrado cómo la corriente atómica del circuito puede controlarse con precisión, y cree que podrían usarse……

  2. [...] This post was mentioned on Twitter by Ciências Exactas, Angel Sánchez, Skepticus, Blogs Culturales, Ciencia Kanija and others. Ciencia Kanija said: Átomos ultra-fríos corren alrededor de un circuito láser http://bit.ly/fMciRa [...]

  3. Y siguen aumentando los experimentos con el BEC, eso indica como he dicho antes que por este lado de la MC hay un mundo muy promisorio que va a relanzar la investigaciòn de la fìsica.

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