Por lo general, lo hacen enfriando los átomos hasta detenerlos y luego usando luz láser para colocar las partículas a una distancia de hasta 500 nanómetros, un límite establecido por la longitud de onda de la luz. Ahora, los físicos del MIT han desarrollado una técnica que les permite disponer los átomos mucho más cerca, hasta apenas 50 nanómetros. Para ponerlo en contexto, un glóbulo rojo tiene aproximadamente 1000 nanómetros de ancho.

Los físicos han demostrado el nuevo enfoque en experimentos con disprosio, que es el átomo más magnético de la naturaleza. Utilizaron el nuevo enfoque para manipular dos capas de átomos de disprosio y colocaron las capas con precisión a 50 nanómetros de distancia. En esta proximidad extrema, las interacciones magnéticas eran 1.000 veces más fuertes que si las capas estuvieran separadas por 500 nanómetros.

Un artículo que describe este trabajo se publica en la revista Science. .

Los científicos pudieron medir dos nuevos efectos provocados por la proximidad de los átomos. Sus fuerzas magnéticas mejoradas provocaron la "termalización", o la transferencia de calor de una capa a otra, así como oscilaciones sincronizadas entre capas. Estos efectos disminuyeron a medida que las capas se espaciaron más.

"Hemos pasado de posicionar átomos a una distancia de 500 nanómetros a 50 nanómetros, y hay mucho que se puede hacer con esto", dice Wolfgang Ketterle, profesor de Física John D. MacArthur en el MIT. "A 50 nanómetros, el comportamiento de los átomos es tan diferente que aquí realmente estamos entrando en un nuevo régimen".

Ketterle y sus colegas dicen que el nuevo enfoque se puede aplicar a muchos otros átomos para estudiar fenómenos cuánticos. Por su parte, el grupo planea utilizar la técnica para manipular átomos en configuraciones que podrían generar la primera puerta cuántica puramente magnética, un componente clave para un nuevo tipo de computadora cuántica.

Los coautores del estudio incluyen al autor principal y estudiante de posgrado en física Li Du, junto con Pierre Barral, Michael Cantara, Julius de Hond y Yu-Kun Lu, todos miembros del Centro de Átomos Ultrafríos del MIT-Harvard, el Departamento de Física. y el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.

Picos y valles

Para manipular y organizar los átomos, los físicos normalmente primero enfrían una nube de átomos a temperaturas cercanas al cero absoluto y luego usan un sistema de rayos láser para acorralar los átomos en una trampa óptica.

La luz láser es una onda electromagnética con una longitud de onda (la distancia entre los máximos del campo eléctrico) y una frecuencia específicas. La longitud de onda limita el patrón más pequeño en el que se puede moldear la luz, normalmente a 500 nanómetros, el llamado límite de resolución óptica. Dado que los átomos son atraídos por la luz láser de ciertas frecuencias, los átomos se ubicarán en los puntos de máxima intensidad del láser. Por esta razón, las técnicas existentes han sido limitadas en cuanto a qué tan cerca pueden ubicar las partículas atómicas y no podrían usarse para explorar fenómenos que ocurren a distancias mucho más cortas.

"Las técnicas convencionales se detienen en 500 nanómetros y no están limitadas por los átomos sino por la longitud de onda de la luz", explica Ketterle. "Hemos encontrado ahora un nuevo truco con la luz que nos permite superar ese límite."

El nuevo enfoque del equipo, al igual que las técnicas actuales, comienza enfriando una nube de átomos (en este caso, a aproximadamente 1 microkelvin, apenas un pelo por encima del cero absoluto), momento en el cual los átomos casi se detienen. Luego, los físicos pueden utilizar láseres para mover las partículas congeladas a las configuraciones deseadas.

Luego, Du y sus colaboradores trabajaron con dos rayos láser, cada uno con una frecuencia o color diferente; y polarización circular, o dirección del campo eléctrico del láser. Cuando los dos rayos viajan a través de una nube de átomos superenfriada, los átomos pueden orientar su giro en direcciones opuestas, siguiendo la polarización de cualquiera de los dos láseres. El resultado es que los haces producen dos grupos de los mismos átomos, sólo que con espines opuestos.

Cada rayo láser formó una onda estacionaria, un patrón periódico de intensidad de campo eléctrico con un período espacial de 500 nanómetros. Debido a sus diferentes polarizaciones, cada onda estacionaria atraía y acorralaba a uno de dos grupos de átomos, dependiendo de su espín. Los láseres podrían superponerse y ajustarse de modo que la distancia entre sus respectivos picos sea tan pequeña como 50 nanómetros, lo que significa que los átomos que gravitan hacia los respectivos picos de cada láser estarían separados por los mismos 50 nanómetros.

Pero para que esto suceda, los láseres tendrían que ser extremadamente estables e inmunes a todo ruido externo, como las sacudidas o incluso la respiración en el experimento. El equipo se dio cuenta de que podían estabilizar ambos láseres dirigiéndolos a través de una fibra óptica, que servía para bloquear los haces de luz en su lugar entre sí.

"La idea de enviar ambos rayos a través de la fibra óptica significaba que toda la máquina podía temblar violentamente, pero los dos rayos láser permanecían absolutamente estables entre sí", dice Du.

Fuerzas magnéticas a corta distancia

Como primera prueba de su nueva técnica, el equipo utilizó átomos de disprosio, un metal de tierras raras que es uno de los elementos magnéticos más fuertes de la tabla periódica, particularmente a temperaturas ultrafrías. Sin embargo, a escala de átomos, las interacciones magnéticas del elemento son relativamente débiles a distancias de incluso 500 nanómetros.

Al igual que con los imanes de refrigerador comunes, la atracción magnética entre los átomos aumenta con la proximidad, y los científicos sospecharon que si su nueva técnica pudiera espaciar los átomos de disprosio a una distancia de hasta 50 nanómetros, podrían observar el surgimiento de interacciones que de otro modo serían débiles entre los átomos magnéticos. /P>

"De repente podríamos tener interacciones magnéticas, que antes eran casi insignificantes pero que ahora son muy fuertes", afirma Ketterle.

El equipo aplicó su técnica al disprosio, primero superenfriando los átomos y luego pasando dos láseres para dividir los átomos en dos grupos o capas de espín. Luego dirigieron los láseres a través de una fibra óptica para estabilizarlos y descubrieron que, de hecho, las dos capas de átomos de disprosio gravitaban hacia sus respectivos picos de láser, que de hecho separaban las capas de átomos por 50 nanómetros, la distancia más cercana que cualquier átomo ultrafrío. experimento ha podido lograr.

En esta proximidad extremadamente cercana, las interacciones magnéticas naturales de los átomos mejoraron significativamente y fueron 1.000 veces más fuertes que si estuvieran colocados a 500 nanómetros de distancia. El equipo observó que estas interacciones dieron como resultado dos fenómenos cuánticos novedosos:la oscilación colectiva, en la que las vibraciones de una capa hacían que la otra vibrara en sincronía; y termalización, en la que una capa transfirió calor a la otra, puramente a través de fluctuaciones magnéticas en los átomos.

"Hasta ahora, el calor entre átomos sólo podía intercambiarse cuando estaban en el mismo espacio físico y podían chocar", señala Du. "Ahora hemos visto capas atómicas, separadas por el vacío, que intercambian calor a través de campos magnéticos fluctuantes."

Los resultados del equipo introducen una nueva técnica que se puede utilizar para colocar muchos tipos de átomos muy cerca. También muestran que los átomos, colocados lo suficientemente cerca unos de otros, pueden exhibir fenómenos cuánticos interesantes, que podrían aprovecharse para construir nuevos materiales cuánticos y, potencialmente, sistemas atómicos impulsados ​​magnéticamente para computadoras cuánticas.

"Realmente estamos incorporando métodos de superresolución al campo, que se convertirán en una herramienta general para realizar simulaciones cuánticas", afirma Ketterle. "Hay muchas variantes posibles y estamos trabajando en ellas."