¿Cómo crear el punto más frío de la tierra con un láser?
Sin duda, la creación del láser en 1960 ha marcado un antes y un después en la fotónica, porque con su creación se logró tener una herramienta única, que revolucionó la ciencia, y que tiene infinidad de aplicaciones no solo en la física, sino también en medicina, en la industria. Usamos láseres a diario, por ejemplo cuando escuchamos música o cuando vamos al supermercado, pero ese es otro capítulo.
Aquí hablaremos de algo que llama mucho la atención. Como dice el título, el láser puede ayudar a crear el punto más frío de la tierra, lo cual hace temblar un poco nuestro sentido común porque ¿cómo lograr enfriar con algo con luz? Todos sabemos de nuestra experiencia que la luz calienta, por ejemplo lo experimentamos a diario cuando nos ponemos al sol. Entonces, ¿cómo lograr enfriar algo con esta herramienta?
La técnica con la cual se puede crear el punto más frío de la tierra se llama “enfriamiento por láser”. Esta técnica consiste en la utilización de láseres para enfriar átomos y moléculas, con el objetivo de poder estudiarlas. Porque, cuando los enfriamos lo que estamos haciendo es llevarlos a una velocidad muy baja, logrando tenerlos “quietos” para poder estudiarlos. Cuando el láser interactúa con el átomo o molécula, (es decir, cuando se los ilumina), en el sentido contrario al que se está moviendo, el átomo absorbe la energía del láser y se frena. Dicho más correctamente, absorbe un fotón y luego lo reemite en alguna dirección azarosa. La suma de todas las absorciones y emisiones en direcciones azarosas hace que se frene. En una comparación simple podemos pensar en una pelota de básquet que está rodando en un sentido y con pelotitas de ping-pong la vamos golpeando en diferentes direcciones; estas absorberán la energía de la pelota de básquet, saliendo en sentidos azarosos y logrando finalmente, luego de usar varias pelotitas de ping-pong, que la de básquet se frene (tenemos que tener cuidado con esta comparación, porque no es muy precisa, pero para hacernos una idea es válida).
Primero, veamos cómo surge esta idea, y cómo fue que el láser ayudó a que se pueda desarrollar. En el siglo XVII Johanes Keppler tiene la idea de extraer energía mecánica de la luz. En 1917, Maxwell y Einstein contribuyen con su teoría de presión de la luz. Wilson, en 1923, observa los primeros electrones en retroceso. En 1960 Townes y Schawlow crean el láser, y en 1963 Söronkin y Schafer crean el láser de colorante sintonizable. En la década del ´70 Askin hace las primeras pruebas de interacción de fotones con átomos neutros. En 1975 Häansch y Schawlow, hacen/formulan la primera propuesta teórica de enfriar un átomo con láser. Finalmente, entre 1983 y 1985, Williams Phillips, Claude Cohen-Tannoudji y Steven Chu llevan a cabo los experimentos y enfriamientos en 1, 2 y 3 dimensiones de átomos simples. Los tres recibieron el premio Nobel de Física en 1997 “por desarrollar métodos para enfriar y atrapar átomos con luz láser”.
Pero, ¿cómo es que se logra enfriar un átomo? Cuando apuntamos una luz sobre nuestras manos, estas se calientan. Lo que sucede es que cuando el láser incide en nuestra mano, ésta absorbe la energía de la luz y se convierte en calor. El truco para enfriar los átomos es que la luz rebota en ellos, saliendo con más energía cuando impacta como los átomos (como las pelotitas de ping pong que impactan a la de básquet). Para ello es necesario iluminarlos con una energía determinada y específica, lo que puede lograrse fácilmente con láseres, que tienen la característica de ser monocromáticos, es decir, que tienen una única longitud de onda (color), y por lo tanto los fotones que emite tienen todos la misma energía.
A temperatura ambiente, los átomos y las moléculas del aire se mueven en todas direcciones a una velocidad aproximada de 4000km/h. En estas condiciones, estudiar los átomos es muy difícil de hacer, ya que se mueven muy rápido para poder observarlos. Bajando su temperatura es posible reducir su velocidad notoriamente, pero el problema de reducir la temperatura de los gases es que se condensan, y luego se congelan. En estado líquido o sólido es muy difícil de realizar estudios. Sin embargo, si el proceso es llevado a cabo en el vacío, la densidad puede mantenerse lo suficientemente baja como para evitar el congelamiento. Pero, aún en estas condiciones, la temperatura de los gases es de -270°C, lo que implica velocidades de alrededor 400km/h. Sólo cuando se alcanza un punto cercano al cero absoluto (-273°C), la velocidad baja lo suficiente como para poder realizar observaciones. Cuando la temperatura es una millonésima de grado Kelvin (1 µK, microkelvin), los átomos se mueven a una velocidad aproximada de 1km/h (= 25 cm/s).
La luz puede describirse en términos de partículas, llamadas fotones. Los fotones no tienen masa en el sentido común de la palabra, como si la pelotita que nombráramos más arriba, que sabemos cuándo golpea con otra, le pasa el “movimiento” que tenía. De manera similar, el fotón que colisiona con el átomo le traspasa su energía, y lo frena. Para que esto pase, el fotón tiene que tener la energía correcta (tengamos cuidado aquí de no confundirnos, con energía no nos referimos a la intensidad de la luz, sino a su frecuencia o color; es por ello que es fundamental el uso de láseres para esta particular técnica).
Lo que determina cuál es la correcta energía o frecuencia de la luz que debe utilizarse es la estructura interna de los átomos (niveles de energía). Además, como el átomo está en movimiento, debe tenerse en cuenta el cambio en frecuencia (o energía) debido al efecto Doppler, que es el mismo efecto que conocemos cuando suena el silbato del tren:, la frecuencia que escuchamos varía dependiendo de si está quieto o en movimiento. Si los fotones tienen la energía correcta, el átomo será capaz de absorber uno de ellos, y luego reemitir otro fotón luego de un tiempo muy corto, muy corto (hablamos de una millonésima de segundo). Luego repetirá el proceso, hasta reducir su velocidad considerablemente. Para lograrlo, el haz láser debe ser lo suficientemente intenso para que no se confunda con la energía del fotón. Las temperaturas alcanzadas son muy bajas. Los ganadores del premio Nobel alcanzaron 0,18 µK (0,00000018K), lo que implica una velocidad de movimiento de los átomos, en particular los átomos estudiados de Helio, de 2 cm/s.
El desarrollo de métodos para enfriar y atrapar átomos ha hecho posible la construcción de relojes atómicos, útiles para el cronometraje de precisión, por ejemplo, en conexión con sistemas de navegación espacial y la exploración del sistema solar; el desarrollo de los interferómetros atómicos, para medidas de ultra-alta precisión, por ejemplo de la aceleración de la gravedad; también la construcción de instrumentos atómicos ópticos que abrieron camino a la litografía óptica; entre otras cosas.
Hemos llegado aquí al final de estas líneas, que pueden introductoriamente respondernos a la pregunta que nos hicimos cuando empezamos a leer (¿alguna vez habían leído o escuchado algo de esto?). La luz ofrece infinidad de herramientas, desde las más simples y cotidianas, hasta las más complejas, como esta que aquí hemos presentado.
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