Investigación básica y aplicada en el Instituto de Ciencias Nucleares

Logran temperaturas cercanas al cero absoluto:-273.15°

Con átomos fríos se puede buscar yacimientos minerales, petróleo o agua sin hacer excavaciones

En esta imagen fue agregado otro láser, sintonizado a una transición atómica diferente a la que se utiliza para enfriar y atrapar a los átomos, y que induce una cascada de decaimientos y emisiones de luz en los átomos. Uno de estos decaimientos está en la región visible del espectro electromagnético y nos permite pintar a la nube de átomos de color entre rojo y morado.
En esta imagen fue agregado otro láser, sintonizado a una transición atómica diferente a la que se utiliza para enfriar y atrapar a los átomos, y que induce una cascada de decaimientos y emisiones de luz en los átomos. Uno de estos decaimientos está en la región visible del espectro electromagnético y nos permite pintar a la nube de átomos de color entre rojo y morado.

L a materia más fría del universo no está ni en el espacio exterior ni en los casquetes polares, sino en los laboratorios de física, en los que se enfrían nubes de átomos a temperaturas extremadamente bajas.

En el Laboratorio de Átomos Fríos del Instituto de Ciencias Nucleares enfrían de forma cotidiana átomos a temperaturas cercanas al cero absoluto, es decir, casi a – 273.15° Celsius.

El objetivo es hacer investigación básica y aplicada. “Enfriar átomos nos permite estudiarlos y controlarlos con muchísima precisión”, dijo Fernando Ramírez Martínez, investigador corresponsable del laboratorio. “Primero tenemos que atraparlos, y para lograrlo necesitamos interactuar con ellos. Para esto, la luz es nuestra principal herramienta de trabajo”.

Los investigadores, para alcanzar esas temperaturas, hacen más lento el movimiento de las partículas atómicas utilizando haces de luz láser. Usualmente, la experiencia indica que la luz calienta a la materia sobre la que incide, como cuando nos ponemos al Sol. Pero usando la luz láser de una manera muy precisa pueden enfriarse los átomos, reduciendo su movimiento casi al grado de detenerlos por completo.

“Utilizamos átomos de rubidio en estado gaseoso, aunque también suelen usarse en estos experimentos otros, como el cesio que incidentalmente se emplea para definir la duración de un segundo”, explicó Lina Marieth Hoyos, participante en el proyecto.

“No hay ninguna razón fundamental para no enfriar otros átomos; trabajamos con el rubidio simplemente por cuestiones técnicas, pues resulta más económico y su manejo es muy sencillo”, agregó Ramírez Martínez.

Trampa magneto-óptica

Una trampa magneto-óptica es un dispositivo en el que se enfrían y confinan los átomos en un volumen muy pequeñito. Está compuesta por una cámara de vacío en la que se inyectan los que se quieren enfriar, que en un principio se mueven muy rápido y en todas direcciones (en promedio algunos cientos de metros por segundo), debido a que se encuentran a temperatura ambiente.

“Necesitamos una herramienta que nos permita interactuar con ellos y ejercer una fuerza que los frene al grado de casi detener por completo su movimiento. Esa fuerza es ejercida por los fotones de un haz láser con una longitud de onda muy específica”, expuso el investigador.

El átomo de rubidio tiene un cambio de energía interno cuando interactúa con luz con longitud de onda de exactamente 780.24 nm. Cuando esto sucede, un electrón dentro del átomo realiza un salto cuántico entre dos de sus niveles de energía permitidos, proceso que se conoce como una transición entre niveles de energía.

Por ello, en el laboratorio controlan con mucha precisión la longitud de onda de la luz emitida por sus láseres, de manera que esté en perfecta resonancia con la transición mencionada.

La trampa magneto-óptica puede imaginarse como un cubo. Por cada una de sus caras entra un haz láser dirigido hacia el centro del cubo donde interactúan con los átomos en movimiento.

Es muy relevante que los átomos únicamente absorban fotones que se mueven en sentido contrario a su movimiento. “Si uno se mueve en sentido contrario a la dirección de un haz láser, al absorber un fotón su movimiento se hará más lento, lo cual se debe a que, además del intercambio de energía, también hay transferencia del momento o impulso entre el átomo y el fotón”, apuntó la científica.

Dentro de la trampa magneto-óptica los átomos entran en la región donde los láseres se intersectan. “Allí, los átomos terminan moviéndose muy lentamente, como si estuvieran atrapados en un líquido viscoso, un efecto que los científicos que crearon una de las primeras trampas magneto-ópticas llamaron ‘melaza óptica’”, agregó.

“Una vez ahí, y después de cierto tiempo de ser frenados por la luz, los átomos ya no sienten la fuerza y empiezan a moverse a una velocidad terminal y constante”, añadió Ramírez Martínez.

Si arrojáramos una pequeña piedra en un tarro de miel, esta caería despacio, pero sin detenerse hasta llegar al fondo. A los átomos les sucede lo mismo en la melaza óptica. El problema es que, si no hacemos nada adicional, los átomos terminan saliendo de la región en la que interactúan con la luz.

“Para que este aparato funcione realmente como una trampa, hace falta ponerle paredes. Esto se logra agregando un campo magnético en la región donde se forma la melaza óptica. Con este campo se mantiene a los átomos en sintonía con la luz, con lo que se crean paredes magnético-ópticas para crear la trampa”, abundó el investigador.

Este campo es tal que en el centro de la melaza su magnitud es cero y a partir de ese punto su valor aumenta a un ritmo constante en cualquier dirección. En esta región, los átomos moviéndose lentamente pasan por el centro de la melaza donde no hay campo magnético y por lo tanto no sienten ya ninguna fuerza debida a la luz; después de cierto desplazamiento, el campo magnético los vuelve a poner en sintonía con la luz, y son regresados hacia el centro por la fuerza luminosa, volviendo a pasar por el centro. “De esta manera se quedan oscilando, como en una hamaca en tres dimensiones”.

� En esta imagen se observa la fluorescencia (luz emitida) por una nube de átomos fríos confinada en la trampa magneto-óptica del Laboratorio de Átomos Fríos del ICN, UNAM. Esta fluorescencia está en la región infrarroja del espectro electromagnético, por lo que no puede observarse a simple vista. Sin embargo, una cámara CCD estándar que no contenga filtros para esta región del espectro, como las cámaras térmicas o de visión nocturna es suficiente para registrar la luz emitida por los átomos fríos.
En esta imagen se observa la fluorescencia (luz emitida) por una nube de átomos fríos confinada en la trampa magneto-óptica del Laboratorio de Átomos Fríos del ICN, UNAM. Esta fluorescencia está en la región infrarroja del espectro electromagnético, por lo que no puede observarse a simple vista. Sin embargo, una cámara CCD estándar que no contenga filtros para esta región del espectro, como las cámaras térmicas o de visión nocturna es suficiente para registrar la luz emitida por los átomos fríos.

Gravimetría

“La aceleración de la gravedad que nos mantiene pegados a la Tierra, esa que desde la secundaria nos enseñan a identificar con la letra “g”, podemos medirla utilizando átomos fríos con igual o mayor precisión que con los aparatos con los que se mide hoy en día. Con los átomos fríos podemos buscar yacimientos minerales, de petróleo o reservas de agua. A esto se le conoce como gravimetría”, explicó el universitario.

Pero no sólo para hacer la búsqueda, sino también para administrar esos yacimientos resulta útil medir si el nivel de las reservas de agua está bajando o subiendo. Esto lo podemos detectar al medir los cambios en la aceleración de la gravedad causados por las variaciones de las reservas de agua. Otra aplicación de estos dispositivos con importantes implicaciones para el bienestar de la sociedad en nuestro país consiste en detectar el movimiento de las placas tectónicas.

“Hay evidencia relacionada con los terremotos, que sugiere que mediciones muy precisas de pequeñísimos cambios en el valor de “g” causados por el movimiento de las placas tectónicas nos puede dar información adicional de qué tipo de procesos están ocurriendo en la superficie de la Tierra que nos puedan alertar de manera temprana. Precisamente, queremos desarrollar técnicas de alerta temprana”, comentó Fernando Ramírez Martínez.

Podría empezarse por detectar regiones en las que se estén acumulando tensiones gravitacionales que en algún momento puedan ser susceptibles de liberar energía por medio de una ruptura de las placas tectónicas. “Nuestra investigación con átomos fríos va en esa dirección, y para eso es indispensable mejorar la precisión de los aparatos de medición, y eso es lo que intentamos hacer”, añadió.

“Es importante que lo que vayamos a medir sea algo con masa, ya sea de agua o de petróleo, porque de esa manera obtendremos la información que requerimos; lo mismo ocurre con el movimiento de las placas tectónicas. Si hay más o menos agua, o si hay un desplazamiento en alguna placa tectónica, entonces, la masa cambia y en todos los casos el valor de “g” es diferente”, explicó Marieth Hoyos.

Con un gravímetro de átomos fríos podría medirse cómo disminuye la masa de agua subterránea, a qué tasa suceden estos cambios, e incluso si se está yendo a otro lado, sin necesidad de hacer perforaciones.

“En el caso de Ciudad de México, creo más bien que iría disminuyendo, y eso también nos daría información de cuánto está bajando el nivel de agua en los mantos freáticos y esto puede relacionarse con los hundimientos del suelo causados por la extracción excesiva de agua”, finalizó Ramírez Martínez.

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