El mundo de un átomo es de caos y calor aleatorios. A temperatura ambiente, una nube de átomos es un lío frenético, con átomos pasando rápidamente entre sí y chocando, cambiando constantemente su dirección y velocidad.

Tales movimientos aleatorios pueden ralentizarse, e incluso se detuvo por completo, enfriando drásticamente los átomos. A un pelo por encima del cero absoluto, los átomos previamente frenéticos se transforman en un estado casi parecido a un zombi, moviéndose como una formación ondulada, en una forma cuántica de materia conocida como condensado de Bose-Einstein.

Dado 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 comprender mejor una serie de fenómenos, incluyendo magnetismo y superconductividad. Pero enfriar los átomos en condensados ​​es lento e ineficiente, y más del 99 por ciento de los átomos de 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 rápido 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 rubidio desde la 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 Ciencias .

"La gente está intentando utilizar condensados ​​de Bose-Einstein para comprender el magnetismo y la superconductividad, además de utilizarlos para fabricar giroscopios y relojes atómicos, "dice Vladan Vuletić, el profesor Lester Wolfe de Física en el MIT. "Nuestra técnica podría empezar a acelerar todas estas consultas".

Vuletić es el autor principal del artículo, que también incluye al primer autor y asistente de investigación Jiazhong Hu, así como Zachary Vendeiro, Valentin Crépel, Alban Urvoy, y Wenlan Chen.

"Una pequeña fracción y un gran inconveniente"

Los científicos han creado convencionalmente condensados ​​Bose-Einstein mediante una combinación de enfriamiento por láser y enfriamiento por evaporación. El proceso generalmente comienza haciendo brillar rayos láser desde varias direcciones sobre una nube de átomos. Los fotones del haz actúan como pequeñas pelotas de ping pong, rebotando mucho más grande, átomos del tamaño de una pelota de baloncesto, y ralentizándolos un poco en cada colisión. Los fotones del láser también actúan para comprimir la nube de átomos, limitando su movimiento y enfriándolos en el proceso. Pero los investigadores han descubierto que existe un límite en cuanto a cuánto puede enfriar un láser los átomos:cuanto más densa se vuelve una nube, cuanto menos espacio hay para que los fotones se dispersen; en su lugar, comienzan a generar calor.

En este punto del proceso, los científicos suelen apagar la luz y cambiar al enfriamiento por evaporación, lo que Vuletić describe como "como enfriar una taza de café:solo esperas a que escapen los átomos más calientes". Pero este es un proceso lento 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.

"En el final, tienes que comenzar con más de 1 millón de átomos para obtener un condensado que consta de solo 10, 000 átomos, "Dice Vuletić." Eso es una pequeña fracción y un gran inconveniente ".

Afinando un giro

Vuletić y sus colegas encontraron una manera de sortear las limitaciones iniciales del enfriamiento por láser, para enfriar átomos en condensados ​​usando luz láser de principio a fin, mucho más rápido, enfoque de conservación de átomos que él describe como un "sueño de larga data" entre los físicos en el campo.

"Lo que inventamos fue un nuevo giro en el método para que funcione a altas densidades [atómicas], "Dice Vuletić.

Los investigadores emplearon técnicas convencionales de enfriamiento por láser para enfriar una nube de átomos de rubidio 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. Ellos sintonizaron el primer rayo para que sus fotones, cuando es absorbido por átomos, convirtió la energía cinética de los átomos en energía magnética. Los átomos, en respuesta, se ralentizó y enfrió aún más, manteniendo su energía total original.

Luego, el equipo apuntó un segundo láser a la nube muy comprimida, que fue sintonizado de tal manera que los fotones, cuando es absorbido por los átomos más lentos, eliminó la energía total de los átomos, enfriándolos aún más.

"En última instancia, los fotones eliminan la energía del sistema en un proceso de dos pasos, "Dice Vuletić." En un solo paso, quitas la energía cinética, y en el segundo paso, quitas la energía total y reduces el desorden, 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 uniforme, comportamiento cuántico que se asemeja a los condensados ​​de Bose-Einstein. Estos condensados ​​pueden finalmente tomar forma cuando los átomos hayan perdido su energía total y se hayan enfriado lo suficiente como para residir en sus estados cuánticos más bajos.

Para llegar a este punto, los investigadores descubrieron que tenían que dar un paso más para enfriar completamente los átomos en condensados. Para hacerlo necesitaban sintonizar los láseres lejos de la resonancia atómica, lo que significa que la luz podría escapar más fácilmente de los átomos sin empujarlos y calentarlos.

"Los átomos se vuelven casi transparentes a los fotones, "Dice Vuletić.

Esto significa que es menos probable que los átomos absorban los fotones entrantes, provocando vibraciones y calor. En lugar de, cada fotón rebota en un solo átomo.

"Antes, cuando entró un fotón, fue esparcido por, decir, 10 átomos antes de que saliera, por lo que hizo temblar a 10 átomos, "Dice Vuletić." Si sintonizas el láser lejos de la resonancia, ahora el fotón tiene buenas posibilidades de escapar antes de chocar contra 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. Y lo que es más, La muestra final del grupo de condensados ​​de Bose-Einstein contenía 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 estudiante de posgrado, la gente había probado muchos métodos diferentes simplemente usando enfriamiento por láser, y no funcionó, y la gente se rindió. Era un sueño de larga data simplificar este proceso, más rápido, más robusto, "Dice Vuletić." Así que estamos muy emocionados de probar nuestro enfoque en nuevas especies de átomos, y creemos que podemos conseguirlo para convertirlo en 1, Condensados ​​000 veces más grandes en el futuro ".