¿Qué es el enfriamiento por láser?

El enfriamiento por láser es un método para reducir la velocidad de los átomos y, por lo tanto, enfriarlos con láser. Por lo general, consideramos que los láseres calientan cosas, y ciertamente lo hacen en escalas macroscópicas, pero para átomos individuales o pequeños grupos de átomos, se pueden usar para enfriar. Las temperaturas más frías jamás generadas, se han logrado menos de la mitad de una billonésima parte de Kelvin (0.5 nanoKelvins) mediante el uso de una combinación de enfriamiento por láser y enfriamiento por evaporación. Estas temperaturas se alcanzan con pequeñas cantidades de gases difusos.

El mecanismo principal por el cual el enfriamiento por láser ralentiza los átomos es al hacer que absorban y emitan fotones en direcciones aleatorias. Mientras la velocidad del átomo sea mayor que la velocidad de retroceso de la emisión de fotones, la velocidad general se reduce. Si estuvieras flotando en un aerodeslizador, moviendo una velocidad significativa en una dirección, y arrojas al azar bolas metálicas fuera del aerodeslizador, eventualmente tu velocidad se reduciría y tus movimientos serían dictados por el efecto de retroceso de tirar las bolas. Así es como funciona el enfriamiento por láser.

El enfriamiento por láser apunta selectivamente a los átomos que se mueven en ciertas direcciones y a ciertas velocidades dentro del gas. Al ajustar la luz a una frecuencia específica, justo debajo de la frecuencia de resonancia de la sustancia, la trampa láser apunta solo a los átomos que se mueven hacia ella. Esto se debe al efecto Doppler: cuando el átomo se mueve hacia el láser fuente, la frecuencia de la luz aumenta desde el punto de vista de ese átomo. Esta es la misma razón por la que la frecuencia del sonido varía a medida que un tren pasa a un observador estacionario: la velocidad relativa entre la fuente y el objeto manipula la frecuencia aparente. Para los átomos que no se mueven a esa velocidad umbral, son transparentes para el láser y, por lo tanto, no se ven afectados por él.

Cuando la frecuencia aparente de la luz con respecto a ciertos átomos en la trampa de enfriamiento del láser es la correcta, el átomo absorbe los fotones entrantes, se vuelve más enérgico temporalmente y luego emite un fotón. Por lo tanto, los átomos que se mueven en una determinada dirección por encima de un umbral de velocidad son ralentizados selectivamente por el dispositivo de enfriamiento por láser. Al disponer los láseres en una matriz tridimensional, que rodea el gas difuso, la velocidad atómica en los tres grados de libertad se puede amortiguar, lo que conduce a un menor movimiento atómico y, por lo tanto, a una temperatura más baja. El gas debe ser difuso para garantizar que los fotones no sean reabsorbidos por átomos adyacentes. La manipulación lenta de la frecuencia del láser también puede ser útil, ya que puede requerir varias etapas de enfriamiento para bajar el gas a la temperatura deseada. Hágalo con cuidado, y tal vez obtendrá esa beca de investigación que siempre ha deseado.