Nuevo método de enfriamiento de átomos permitirá alcanzar un picokelvin

Hoy en día es fácil enfriar unos cientos de átomos neutros hasta un nanokelvin, pero el objetivo es alcanzar un picokelvin (una billonésima de kelvin sobre el cero absoluto) parece inalcanzable con las técnicas convencionales. Hoy se publica en Nature una nueva técnica de enfriamiento que en teoría podrá alcanzar este logro. La nueva técnica se basa en atrapar los átomos a enfriar en una red (lattice en inglés) óptica, es decir, un “cristal” de luz creado por la interferencia de ondas de luz estacionarias. Los átomos atrapados en esta red son ideales para estudiar la física del estado sólido con solo unos pocos átomos, en especial, los sistemas de átomos en interacción fuerte. Aún no se ha logrado alcanzar el picokelvin, pero los autores del artículo esperan que esta técnica lo permita en poco tiempo. Nos lo cuenta Gretchen K. Campbell, “Atomic physics: When ultracold is not cold enough,” Nature 480: 463–465, 22 December 2011, haciéndose eco del artículo técnico de Waseem S. Bakr et al., “Orbital excitation blockade and algorithmic cooling in quantum gases,” Nature 480: 500–503, 22 December 2011.

La nueva técnica se basa en el uso del bloqueo de Coulomb (Coulombian blockade en inglés) de átomos. Este fenómeno aparece cuando se confinan muchas partículas de forma muy compacta con interacciones mutuas fuertes. Si la energía de interacción es suficientemente alta, añadir una nueva partícula al sistema es muy difícil y se produce el bloqueo coulumbiano debido a las fuerzas de interacción mutua repulsivas entre los átomos. En la red óptica los átomos ultrafríos desarrollan una estructura en niveles de energía (como los electrones en un átomo). El bloqueo coulombiano impide que nuevos átomos queden atrapados en la red óptica, pero las interacciones provocan que algunos átomos, por efecto túnel cuántico, cambien de sitio de dicha red. Los átomos se enfrían cuando los sitios que tienen mayor número de átomos pierden sus átomos que se colocan en otros sitios menos poblados y sus niveles de energía pasan a ser el nivel fundamental. El proceso de bloqueo se puede controlar mediante una excitación externa, el llamado bloqueo por intercambio orbital (OEB por las siglas en inglés de orbital exchange blockade). Gracias a este control se puede reducir la entropía del sistema y con ella la temperatura del conjunto de átomos.

Bakr y sus colegas han demostrado este nuevo sistema de enfriamiento utilizando una red óptica bidimensional con forma cuadrada obtenida mediante dos ondas de luz estacionarias perpendiculares. La profundidad de los pozos de luz se puede controlar mediante la intensidad de estas ondas estacionarias. En esta red se han atrapado algunos cientos de átomos de rubidio-87. El proceso desarrollado por Bakr y sus colegas es denominado “algoritmo” de enfriamiento, pues consiste en ir ajustando la profundidad de los pozos de potencial de tal manera que los átomos salten por efecto túnel de unos pozos a otros, reduciendo el número de átomos por pozo. En el límite, cuando hay un solo átomo por pozo y este se encuentra en el nivel energético más bajo, el gas se encuentra enfriado a la temperatura más baja posible. En este estado la entropía es mínima.

¿Para qué puede servir enfriar átomos a temperaturas ultrabajas en una red óptica? La aplicación más obvia es la computación cuántica, la creación de registros de bits cuánticos formados por miles de átomos. Los autores del estudio creen que su trabajo es un paso hacia ordenadores cuánticos escalables implementados en redes ópticas de átomos. Lograr enfriar átomos a solo un picokelvin será un gran logro, pero el futuro más prometedor es la implementación de ordenadores cuánticos.

¿Por qué no se ha alcanzado un picokelvin cuando la teoría así lo predice? Bakr y sus colegas no han alcanzado la entropía mínima predicha por la teoría para su método por ciertas ineficiencias en la red óptica que calientan ligeramente algunos átomos que pasan a ocupar estados excitados. Debidos a estos problemas de carácter técnico solo han logrado alcanzar una entropía mínima de 0,27 kB por partícula (donde kB es la constante de Boltzmann); este valor es comparable a los mejores experimentos previos. Para obtener un sistema de enfriamiento óptimo hay que corregir las deficiencias detectadas en la red óptica, algo factible (aunque no es fácil) según los autores. Todo indica que en los próximos años se alcanzará el picokelvin. Habrá que estar al tanto.

Un pensamiento en “Nuevo método de enfriamiento de átomos permitirá alcanzar un picokelvin

  1. Me parece curioso que estudien los hielos de espín en redes bidimensionales, pues entiendo que el mantener la hipótesis de planaridad introducirá sesgos comparativamente grandes. Aunque sin duda será más fácil experimentar, ¡a ver cuándo dan el salto a las 3D!

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