25/Ago/04

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Científicos reportan la primera observación de una "Fuerza Aérea" atómica

En un experimento se registraron átomos de estroncio volando en una formación con forma de cubo.

(SPX) - Mientras que la Fuerza Aérea y los gansos prefieren la clásica formación en "V", los átomos de estroncio que fueron puestos en una coreografía en este experimento, utilizando para ello pulsos de un láser de precisión y temperaturas ultra frías, han sido registrados volando en una formación con forma de cubo.

"Se cree que este comportamiento realmente extraño le ocurre a todos los átomos que son puestos bajo similares condiciones", dice el físico Jun Ye del NIST, quien ha liderado la investigación en el JILA, un instituto adjunto al NIST y a la Universidad de Colorado. Ye es también profesor académico del Departamento de Física de la Universidad de Colorado.

"Nunca antes había sido posible visualizar a los átomos en formación" dice Ye. "Fueron las capacidades únicas del estroncio las que hicieron posible la observación."

Esta imagen colorizada muestra a los átomos de Estroncio formando un cubo, a medida que la frecuencia de la luz del láser utilizado para manipularlos va cambiando. Algunos átomos aparecen en el medio de cada una de las líneas que forman las caras, y otros empiezan a aparecer en el centro de cada una de ellas

En particular, la configuración de los electrones del estroncio, y consecuentemente las propiedades atómicas que se derivan de ellos, le permiten absorber la energía del haz del láser eficientemente, en dos longitudes de onda bien específicas. Una muy fuerte resonancia en la longitud de onda de la luz azul y otra resonancia, mucho más débil, para la mayor longitud de onda de la luz roja.

Esto hace que el estroncio sea un candidato muy prometedor como material para la fabricación de los relojes atómicos de la próxima generación, basados en las frecuencias lumínicas en lugar de los existentes actualmente, basados en las frecuencias del orden de las microondas, y ésta es la razón de que el grupo del JILA esté estudiando el comportamiento cuántico de dicho átomo.

El experimento fue realizado sobre una densa nube gaseosa de 100 millones de átomos de estroncio. Estos fueron aglutinados en el centro de una cámara de vacío por un campo magnético, al mismo tiempo que seis haces de rayos láser, dispuestos en tres grupos de pares opuestos alineados en ángulos rectos unos con otros, se intersectaban exactamente en el mismo punto.

Los átomos, que inicialmente estaban muy calientes, a una temperatura de 800 K (grados Kelvin, unos 527 °C), fueron atrapados por el campo magnético y la luz del láser azul, y luego enfriados hasta llegar a 1 mK (mili Kelvin), y posteriormente, ahora mientras eran bombardeados con la luz del láser rojo, fueron rápidamente enfriados aun más, hasta llegar a aproximadamente 250 nK (nano Kelvins, casi el cero absoluto, que es aproximadamente -273.15 °C)

Llegado este punto el campo magnético fue apagado, y la frecuencia de la luz del láser fue sintonizada a un valor un poco más alto que la frecuencia de resonancia débil del estroncio (la de la luz roja). Esto provocó que los átomos se separaran unos de otros agrupados en una formación cúbica.

La forma fue capturada en una serie de imágenes tomadas mediante el siguiente mecanismo: los átomos fueron estimulados con los haces del láser de luz azul. Al absorber la energía de la luz del láser, los electrones de las capas exteriores se promueven a órbitas de mayor nivel de energía, para luego, de forma muy rápida, decaer nuevamente al nivel de energía más bajo, re-emitiendo la energía sobrante como luz azul.

Aunque diferentes grupos de átomos estén volando en diversas direcciones con velocidades distintas, debido a la gran fluorescencia azul, las señales que dichos átomos emiten pueden ser grabadas por una cámara, por lo que todos los átomos pueden ser visualizados al mismo tiempo.

"El vuelo en formación es en parte provocado por el efecto de rebote, es decir: por la cantidad de movimiento (momento) que es transferida a los átomos mientras éstos absorben o emiten cada partícula de luz, o fotón. Este efecto es similar al culatazo que se siente cuando se dispara un arma" dice Ye.

Cuando un átomo absorbe fotones de un rayo láser, es empujado en la misma dirección en la que está entrando el haz de luz.

El efecto Doppler (el mismo efecto que causa que el sonido del silbato de un tren suene más grave mientras se aleja de nosotros), provoca que el haz del láser entrante, al tiempo que el átomo se aleja de él, parezca de una frecuencia apenas menor, por lo que se acerca a la frecuencia de resonancia del átomo.

Pero al mismo tiempo, el haz del láser opuesto parece tener una frecuencia mayor debido a que los átomos se mueven hacia él, por lo que ésta sale del rango de resonancia. Los átomos de estroncio rápidamente dejan de responder a este último haz y se alejan en la misma dirección que el haz resonante.

Los efectos combinados de los seis haces incidentes son los que provocan que los átomos se formen en grupos dispuestos como cubos.

El equipo de investigación ha tomado imágenes de los átomos volando en grupos a velocidades de aproximadamente 10 a 15 centímetros por segundo. La disposición cúbica de los grupos va cambiando a medida que varía la intensidad y la frecuencia de la luz roja.

Las esquinas de los cubos se ven primero, cuando la luz del láser está sintonizada a una frecuencia muy cercana a la de resonancia atómica. Pero a medida que la frecuencia de luz roja se va ajustando de poco por encima de dicha frecuencia, empiezan a aparecer los racimos atómicos en los puntos medios de cada lado del cubo, y luego eventualmente en los centros de cada cara.

Ye ha conducido el trabajo de investigación y fue co-autor del ensayo con sus socios de investigación post-doctoral del JILA, Thomas H Loftus y Tetsuya Ido, y con los candidatos doctorales de la Universidad de Colorado, Andrew D. Ludlow y Martin M. Boyd.

Seleccionado y traducido por Leandro Conde