Átomos ultrafríos en un circuito láser

El primer circuito de átomos ultra-fríos ha sido revelado por los físicos en los EE.UU.. El equipo ya ha demostrado cómo la corriente atómica en un circuito puede ser controlada con precisión y cree circuitos similares que podrían ser utilizados en sensores de rotación de gran sensibilidad.

Previamente, los físicos han creado circuitos de helio superfluido – un estado de cero viscosidad del líquido que se produce a temperaturas por debajo de 2 K. Sin embargo, los circuitos mucho más diluidos de átomos ultra-fríos son más interesantes para los físicos porque las interacciones entre los átomos son más débiles y  más fáciles de describir matemáticamente. Como resultado, los conjuntos de átomos ultra-fríos se utilizan habitualmente para estudiar la física de los sistemas cuánticos.

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

El equipo comenzó con un láser de refrigeración de átomos de sodio y capturaron alrededor de mil millones de ellos en una trampa magnética. La fuerza del campo de captura se reduce para permitir que los átomos con más energía reboten, reduciendo aún más la temperatura de los átomos restantes. El resultado es una colección de cerca de 300.000 átomos a una temperatura de 10 nK, que es lo suficientemente fría para formar un BEC.

Entonces el equipo capturó el BEC con láseres cruzados, dejando caer la trampa magnética. Un láser era cilíndrico, mientras que el otro era similar a un filo. Juntos, crearon un campo que hizo que los átomos pudieran recogerse en un campo de forma de “donut” aplanado con un radio de unas 20 micras

Según Wright, la suavidad del contenedor óptico creado por los dos láseres es crucial para el éxito del grupo. ”Se puede imaginar que si usted tiene un cubo que  lleno de baches, puede acabar con un montón de pequeños charcos”, explicó. Pero en el campo del láser cuidadosamente elaborado, los átomos son capaces de estabilizarse de manera uniforme en el anillo, creando un bucle continuo.

También es importante cómo el equipo inicia la rotación sin romper el BEC, que se realiza por el resplandor de dos láseres en el condensado. Los fotones del láser de una espiral, aumentan su momento angular, pero no sucede lo mismo con los del otro láser. Los láseres están sintonizados para forzar a los átomos a absorber fotones de un haz y emitir en el otro. Como resultado de ello, recogen el momento angular, y el condensado empieza a girar.

Los investigadores también pudieron aumentar la corriente al obstruir el condensado. Esto se hace enfocando la luz láser azul en el anillo de forma elíptica. El rayo láser ese enfocado perpendicularmente, creando un lugar de poca profundidad en el flujo de átomos de sodio. Como un río que atraviesa una región poco profunda, las velocidades aumenta hasta cuando pasa por la obstrucción. Cuanto más alta sea la obstrucción, más rápida será la corriente, y convierte el flujo turbulento en una cierta velocidad crítica.

Esta velocidad crítica ha llamado la atención de los físicos, entre ellos Francisco Piazza de la Universidad de Trento en Italia. “La cuestión de la velocidad del superfluido crítico en la presencia de constricciones es un problema antiguo”, dijo Piazza. Sus resultados parecen estar de acuerdo con la imagen del vórtice presentada por Richard Feynman en 1955 y Piazza encuentra esto muy interesante, aunque son necesarios modelos más exactos para obtener resultados concluyentes.

El BEC está gobernado por la mecánica cuántica y por lo tanto sólo puede girar en un conjunto discreto de velocidad angulares. Los investigadores eligieron la más lenta posible – alrededor de un giro al circuito por segundo. Wright dice que la propia rotación puede ser imaginada como un vórtice atrapado en el centro del anillo que no puede escapar a través del superfluido. Pero una vez que el flujo se vuelve turbulento, el vórtice puede librarse del lazo, y así se detiene la rotación.

Al igual que con muchos experimentos con átomos ultrafríos, no es posible estudiar los atrapados en un  BEC directamente,  sino que deben ser liberados de la trampa con el fin de echar un vistazo a sus propiedades. Un destello de un rayo láser proyecta una sombra de la nube de átomo, revelando la distribución de su densidad. El tamaño del agujero en el patrón tiene que ver con la rapidez con que la condensación había estado rotando. Los átomos tienden a extenderse más hacia afuera que hacia adentro si se hubieran giradorá pidamente, pero el agujero desaparece si el BEC deja  de girar. La velocidad crítica en la que cesa la rotación en el condensado proporciona un punto de referencia para medir la rotación fuera del dispositivo, lo que significa que podría ser utilizado como un detector de rotación de alta sensibilidad.

Brian Anderson de la Universidad de Arizona en Tucson cree que los circuitos de átomos podrían también ser la base de dispositivos más complicados. “La comprensión de la respuesta de un superfluido atómico a una barrera es uno de los primeros pasos importantes hacia la eventual realización de tales circuitos,” asegura.

Un artículo que describe el trabajo ha sido aceptado para su publicación en Physical Review Letters y una pre-impresión está disponible en arXiv

Autor: Kate McAlpine

Enlace original: Ultracold atoms race around a laser circuit