melaza óptica

La melaza óptica ( MO ) es una configuración de enfriamiento láser que permite obtener conjuntos de átomos neutros extremadamente fríos. Las temperaturas pueden alcanzar valores tan bajos como unos pocos microkelvin, dependiendo de la especie atómica. Una melaza óptica consta de tres pares de haces láser polarizados ortogonalmente que se propagan en direcciones opuestas y se cruzan en la región donde se encuentran los átomos. La principal diferencia entre una melaza óptica y una trampa magnetoóptica (TMO) radica en la ausencia de campo magnético en la primera. A diferencia de una TMO, una MO solo proporciona enfriamiento y no atrapamiento.

Cuando se propuso el enfriamiento láser en 1975, se predijo un límite teórico para la temperatura más baja posible. ^{[ 1 ]} Conocido como el límite Doppler ,${\displaystyle T_{\text{D}}=\hbar \Gamma /(2k_{\text{B}})}$Esto se obtuvo a partir de la temperatura más baja posible alcanzable considerando el enfriamiento de átomos de dos niveles por enfriamiento Doppler y el calentamiento de átomos debido a la difusión de momento por la dispersión de fotones láser.${\displaystyle \Gamma }$es el ancho de línea natural de la transición atómica,${\displaystyle \hbar }$es la constante de Planck reducida y${\displaystyle k_{\text{B}}}$es la constante de Boltzmann .

La primera realización experimental de melaza óptica fue lograda en 1985 por Chu et al. en los Laboratorios Bell de AT&T. ^{[ 2 ]} Los autores midieron el enfriamiento láser de átomos de sodio neutros hasta el límite teórico de enfriamiento Doppler observando la fluorescencia de un haz atómico caliente. Al apagar temporalmente los haces láser durante un intervalo de tiempo fijo, los autores midieron primero la energía cinética promedio de los átomos mediante una técnica de tiempo de vuelo . La fracción de átomos que abandonaron la región mientras estaba en la oscuridad se midió comparando el brillo de la fluorescencia antes y después del apagado. Luego se midieron la distribución de velocidad y la temperatura estimando la dependencia de esta fracción con el tiempo de apagado de la luz. La temperatura cinética que obtuvieron fue T ≈ 240 μK, no muy diferente del límite de enfriamiento Doppler en la aproximación de dos niveles. El tamaño de la región de melaza óptica fue un factor limitante.

Los experimentos realizados en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Gaithersburg revelaron que la temperatura de los átomos enfriados era muy inferior al límite teórico. ^{[ 3 ]} En 1988, Lett et al. ^{[ 3 ]} dirigieron átomos de sodio a través de una melaza óptica y hallaron temperaturas tan bajas como ~40  μk, 6  veces inferiores al  límite de enfriamiento Doppler esperado de 240 μk. Otras propiedades inesperadas encontradas en otros experimentos ^{[ 4 ]} incluyeron una significativa insensibilidad inesperada a la alineación láser de los haces que se propagan en direcciones opuestas.

Estas observaciones inesperadas llevaron al desarrollo de modelos más sofisticados ^{[ 5 ]} de enfriamiento láser que tuvieron en cuenta los subniveles Zeeman e hiperfinos de la estructura atómica. La dinámica del bombeo óptico entre estos subniveles permite el enfriamiento de átomos por debajo del límite Doppler .

La mejor explicación del fenómeno de la melaza óptica se basa en el principio de enfriamiento por gradiente de polarización . ^{[ 6 ]} Para la melaza óptica unidimensional: Supongamos que dos haces láser se acercan a un átomo desde direcciones opuestas. Los haces de luz polarizada circularmente que se propagan en direcciones opuestas causan una onda estacionaria , donde la polarización de la luz es lineal pero la dirección gira a lo largo de la dirección de los haces a una velocidad muy rápida. Los átomos que se mueven en la polarización lineal espacialmente variable tienen una mayor densidad de probabilidad de estar en un estado que es más susceptible a la absorción de luz del haz que viene de frente, en lugar del haz que viene por detrás. Esto resulta en una fuerza de amortiguación dependiente de la velocidad ^{[ 7 ]}$${\displaystyle F=-\alpha v,}$$ dónde $${\displaystyle \alpha =4\hbar k^{2}{\frac {I}{I_{0}}}{\frac {2\delta /\Gamma }{[1+(2\delta /\Gamma )^{2}]^{2}}}.}$$ La variable${\displaystyle \hbar }$es la constante de Planck reducida,${\displaystyle I_{0}}$es la intensidad de saturación,${\displaystyle \delta }$es la desintonización del láser y${\displaystyle \Gamma }$es el ancho de línea de la transición de enfriamiento del átomo. Para el sodio, la transición de enfriamiento (ciclo) es la${\displaystyle {}^{3}S_{1/2}(F=2)\leftrightarrow {}^{3}P_{3/2}(F=0)}$transición, impulsada por luz láser a 589  nm.

La melaza óptica puede reducir la temperatura del átomo hasta el límite de retroceso.${\displaystyle T_{\text{r}}}$está determinada por la energía del fotón emitido en la desintegración del estado J ′ al estado J , donde el estado J es el momento angular del estado fundamental y el estado J ′ es el momento angular del estado excitado. Esta temperatura viene dada por $${\displaystyle k_{\text{B}}T_{\text{r}}={\frac {h^{2}}{M\lambda ^{2}}},}$$ Aunque en la práctica el límite es varias veces este valor debido a la extrema sensibilidad a los campos magnéticos externos en este esquema de enfriamiento. Los átomos suelen alcanzar temperaturas del orden de microkelvin, en comparación con el límite Doppler.${\displaystyle T_{D}\simeq 240}$μK.

La melaza óptica unidimensional puede extenderse a tres dimensiones con seis haces láser que se propagan en direcciones opuestas. La fuerza total es la suma de cada haz. Por ejemplo, un estudio ^{[ 8 ]} que utilizó átomos de cesio alcanzó temperaturas tan bajas como ~3  μK, aproximadamente 40 veces por debajo del límite Doppler y solo ligeramente por encima del límite de temperatura de retroceso del Cs. La temperatura obtenida varía con la configuración de la polarización del láser y todas son superiores a la estimación teórica. Por lo tanto, se ha demostrado que la extensión es efectiva, a pesar de algunas salvedades. En experimentos 3D, la naturaleza transversal de la luz lleva a la limitación de que siempre habrá gradientes de polarización. Los átomos también ven diferentes gradientes a lo largo de diferentes direcciones, y pueden cambiar drásticamente durante el movimiento difusivo del átomo en la melaza. ^{[ 9 ]} Las trayectorias tampoco son rectas, sino que se ven severamente afectadas por el proceso de enfriamiento. ^{[ 10 ]} Se necesitan tratamientos cuánticos debido a estas limitaciones.

Una melaza óptica ralentiza los átomos, pero no ejerce ninguna fuerza de confinamiento espacial. Una trampa magnetoóptica emplea una melaza óptica tridimensional junto con un campo magnético variable espacialmente para ralentizar y confinar los átomos.

• enfriamiento Doppler
• melaza gris
• Trampa magnetoóptica
• Refrigeración por gradiente de polarización
• Refrigeración sub-Doppler