Enfriamiento por Láser

A partir de alrededor de 1985 con la obra de Steven Chu y otros, el uso del láser para alcanzar temperaturas extremadamente bajas, ha avanzado hasta el punto de conseguir temperaturas de 10^-9ºK. Si un átomo viaja hacia un rayo láser y absorbe un fotón del láser, disminuirá su velocidad por el hecho de que el fotón tiene un momento p=E/c = h/λ. Si asumimos que hay una cierta cantidad de átomos de sodio moviéndose libremente en una cámara de vacío a 300ºK, la velocidad rms de uno de estos átomos sería a partir de la distribución de velocidades de Maxwell, unos 570 m/s. Entonces, si se ajusta un láser justo debajo de una de las líneas D del sodio (589,0 nm y 589,6 nm, unos 2,1 eV), un átomo de sodio que viaje hacia el láser y absorba un fotón láser, habrá reducido su impulso en una cantidad igual al momento del fotón. Se necesitaría un gran número de tales absorciones como para enfriar los átomos de sodio a cerca de 0ºK, ya que la absorción de un solo átomo de sodio con una velocidad de 570 m/s., reduciría su velocidad en sólo unos 3 cm/s. Haciendo una proyección lineal, se requiere casi 20.000 fotones para reducir el impulso de un solo átomo de sodio, a cero. El cambio en la velocidad por la absorción de un fotón, puede calcularse a partir de

Esto representa un montón de fotones, pero de acuerdo con Chu, un láser puede inducir del orden de 10⁷ absorciones por segundo, por lo que un átomo podría ser detenido en cuestión de milisegundos.

Un problema conceptual es que la absorción también puede acelerar los átomos si las capturas son por detrás, por lo que es necesario contar con más absorciones de fotones frontales, si el objetivo es reducir la velocidad de los átomos. Esto se logra en la práctica, mediante la sintonización del láser ligeramente por debajo de la absorción de resonancia de un átomo de sodio estacionario. Desde la perspectiva del átomo, el fotón frontal es visto como Doppler desplazado hacia arriba, hacia su frecuencia de resonancia y por lo tanto mas fuertemente absorbido que un fotón viajando en la dirección opuesta, el cual sería Doppler-desplazado hacia fuera de la resonancia. En el caso de nuestro átomo de sodio de antes a temperatura ambiente, el fotón incidente sería Doppler-desplazado hacia arriba hasta los 0,97 GHz, por lo que para conseguir que el fotón frontal coincida con la frecuencia de resonancia, sería necesario sintonizar el pico resonante del láser en esa cantidad por debajo de la frecuencia de resonancia. Este método de enfriamiento de átomos de sodio fue propuesto por Theodore Hansch y Schawlow Arthur en la Universidad de Stanford en 1975 y realizado por Chu en el AT&T Bell Labs en 1985. Los átomos de sodio se enfriaron a partir de un haz térmico a 500ºK hasta 240mK. La técnica experimental se realizó dirigiendo los rayos láser a la muestra, desde direcciones opuestas, con haces de rayos linealmente polarizados a 90° unos respecto de otros. Seis láseres podrían proporcionar un par de haces a lo largo de cada eje de coordenadas. El efecto "viscoso" de los rayos láser en la ralentización de los átomos, fué apodado por Chu como "melaza óptica".

Para continuar el enfriamiento de los átomos de sodio por este método, se requiere la resintonización del láser hacia arriba, hacia la frecuencia de resonancia atómica, porque el efecto Doppler, será menor. Esto pone un límite práctico en la cantidad de refrigeración que se puede lograr, porque la velocidad de enfriamiento diferencial se va reduciendo y en un momento determinado, el mecanismo de enfriamiento es frustrado por el calentamiento debido a la absorción aleatorio y la reemisión de fotones. Este límite práctico se caracteriza por 2kT = E_{fotón resonante}, el cual a la baja temperatura de 240 mK correspondería a energías de fotones de unos 4 x 10^-8 eV. Tales energías pueden caracterizar los niveles de energías de los átomos división Zeeman en los campos magnéticos producidos por los fotones del láser.

Se encontró que los desdoblamientos que limita los procesos de enfriamiento láser original podrían ser aprovechados para bajar la última temperatura por debajo de estos límites. Con los rayos láser opuestos, con la polarización lineal perpendicular, los átomos podrían ser selectivamente impulsados o "bombeados opticamente" hacia los niveles de energía más bajos. Estos láseres crean una pequeña región de espacio, con una extensión de alrededor de un cuarto de longitud onda, donde los átomos pueden ir amontonándose y donde su energía es relativamente más alta, solamente para ser bombeados de nuevo hacia abajo, hacia menores energías. Esto fue llamado "enfriamiento de Sísifo", en recuerdo del legendario hombre atormentado que fue condenado a subir eternamente, rodando una roca por una colina, sólo para que al llegar arriba, la volviera a soltar. Con la "melaza óptica" y el gradiente de polarización en la región de rayos láser opuestos, se obtuvieron temperaturas tan bajas como 35 mK para el sodio y 3 mK para el cesio.