ENFRIAMIENTO DE LOS ÁTOMOS POR LUZ

Eje temático Ciencias experimentales

Prof. José Mario Alcudia Sánchez Asignatura de Química y Física

Prof. Ignacio Pérez López Asignatura de Química

Universidad Nacional Autónoma de México, CCH Azcapotzalco

José Mario Alcudia Sánchez. E-mail, xxmas2@yahoo.cm.mx tel. 56319018

.Modalidad; Ponencia

Justificación. Con el presente trabajo de investigación, los estudiantes incrementan sus habilidades en la búsqueda de información en diferentes medios, desarrollando su capacidad de análisis, síntesis y comunicación que

son competencias básicas en nuestros estudiantes. Además que los actualiza en los temas de frontera que realiza la física hoy en día para el mejoramiento de nuestra vida.

RESUMEN. En el presente trabajo de investigación en el cual se presenta una

aplicación de la teoría de Bohr, que está basado en la emisión de energía luminosa y como este fenómeno puede revertirse para lograr que los electrones transite de un nivel más bajo de energía, a otro nivel ms alto de energía, dentro

de un campo magnético, lo cual se refleja en una caída drástica de temperaturas, lo que ocasiona que el medio se enfríe logrando alcanzar temperaturas tan bajas de unos cuantos pico-kelvin (Temperaturas más bajas, cercanas al cero absoluto.)

Palabras clave; enfriamiento de átomos, modelo atómico de Bohr, saltos cuantico de electrones, nano-partículas.

Objetivo: Que los alumnos valoren la importancia relevante que tiene el estudio de la química y sus beneficios en la vida diaria.

Introducción.

Todos los átomos en la naturaleza se encuentran en movimiento, debido a que la temperatura ambiental es mayor a 0° (°K) por lo que estos tienen una cierta cantidad de energía térmica. A bajas temperaturas, es posible casi parar el movimiento de los átomos utilizando el momento de los fotones de la radiación láser. Cuando pensamos en los rayos láser, asumimos que siempre generan calor allá donde incidan. Pero ¿Cómo se lleva acabo el enfriamiento de átomos con rayo láser?

Fue casi en 1985 con los trabajos realizados por 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

Δp/p = pfotón/mv = Δv/v Δv = pfotón/m

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".

Desarrollo.

Para continuar el enfriamiento de los átomos de sodio por este método, se

requiere la re sintonización 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 = Efotón 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 ópticamente" 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.

El condensado de Bose-Einstein es un ejemplo del enfriamiento de átomos

llevados al extremo de la escala de temperaturas, en la escala de grados Kelvin, muy cerca de 0 K (10-9 K). El campo del Enfriamiento Láser (EL) ha revolucionado el campo de física atómica ya que se han logrado avances en

diversas aplicaciones. Una de las aplicaciones es la reducción del ancho de línea de la luz emitida por un medio atómico, para mejoramiento de relojes atómicos o estándares de frecuencias en telecomunicaciones. El mecanismo

de reducción del ancho de línea se explica a continuación.

Cuando una fuente emite luz, esta emisión tiene un rango de frecuencias. Lo ideal en una fuente, como un láser, es que este rango sea lo más angosto

posible. A este rango se le conoce como ancho de línea. Cuando los átomos de un gas que emiten luz se están moviendo a velocidades supersónicas, esto causa que el ancho de emisión de frecuencias se haga más grande. Este

ensanchamiento se debe a lo que se conoce como efecto Doppler, que se puede explicar viendo la Figura 1. En el esquema izquierdo de la Figura 1 se muestra cómo la luz emitida por los átomos en reposo tiene la misma frecuencia en cualquier dirección, mientras que cuando el átomo se mueve las

ondas de luz se comprimen en dirección de la velocidad y se descomprimen en dirección contraria. Estas compresiones y descompresiones de las ondas causan un cambio en la frecuencia detectada dependiendo de dónde está el

observador (sensor).

Durante la evolución de la física en los últimos 20 años ha surgido un tópico que actualmente ocupa la atención en las universidades e institutos de

investigación más importantes del mundo: Se trata del enfriamiento de átomos específicamente mediante el uso de láseres. El condensado de Bose-Einstein es un ejemplo del enfriamiento de átomos llevados al extremo de la escala de

temperaturas, en la escala de grados Kelvin, muy cerca de 0 K (10-9 K). El campo del Enfriamiento Láser (EL) ha revolucionado el campo de física atómica ya que se han logrado avances en diversas aplicaciones. Una de las

aplicaciones es la reducción del ancho de línea de la luz emitida por un medio atómico, para mejoramiento de relojes atómicos o estándares de frecuencias en telecomunicaciones. El mecanismo de reducción del ancho de línea se

explica a continuación.

Cuando una fuente emite luz, esta emisión tiene un rango de frecuencias. Lo ideal en una fuente, como un láser, es que este rango sea lo más angosto posible. A este rango se le conoce como ancho de línea. Cuando los átomos

de un gas que emiten luz se están moviendo a velocidades supersónicas, esto causa que el ancho de emisión de frecuencias se haga más grande. Este ensanchamiento se debe a lo que se conoce como efecto Doppler, que se

puede explicar viendo la Figura 1. En el esquema izquierdo de la Figura 1 se muestra cómo la luz emitida por los átomos en reposo tiene la misma frecuencia en cualquier dirección, mientras que cuando el átomo se mueve las

ondas de luz se comprimen en dirección de la velocidad y se descomprimen en dirección contraria. Estas compresiones y descompresiones de las ondas causan un cambio en la frecuencia detectada dependiendo de dónde está el

observador (sensor).

FIGURA 1

Otras áreas de aplicación del EL son las siguientes: espectroscopia ultra fina, óptica atómica, litografía atómica (nanotecnología), relojes atómicos y condensados de Bose-Einstein, entre otras. Los trabajos desarrollados para

lograr el atrapamiento y manipulación de los átomos tienen tal impacto, que en 1997 se reconoció con el Premio Nobel de Física a Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji y William D. Phillips “por el desarrollo de métodos para

enfriar y atrapar átomos con luz láser.” Reconociéndose nuevamente trabajos relacionados con el enfriamiento láser, se otorgó el Premio Nobel en el año

2001 a Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle y Carl E. Wieman “por la realización del condensado de Bose-Einstein en gases diluidos de átomos alcalinos, y por recientes estudios fundamentales de las propiedades de los condensados”.

El enfriamiento de átomos utilizando luz láser se explica con la presión que ejerce la luz sobre la materia. Los casos históricos que reportan la observación de este comportamiento de la luz como partícula se remontan al siglo XVII. Fue

Johannes Kepler en su tratado De Cometis, presentado en 1619, quien primero sugirió la fuerza por presión de radiación, al observar que la cola de un cometa

apunta siempre lejos del sol. Esta fuerza que ejerce la luz no sólo se aplica para atrapar y manipular átomos, sino que también se aplica actualmente en la biotecnología y es muy conocido como “pinzas ópticas”, lo cual sirve para

manipular células, virus, bacterias y genes, entre otros.

Condensado de bos-einstein:

Einstein}} ~~~~

Distribución de momentos que confirma la existencia de un nuevo estado de agregación de la materia, el condensado de Bose-Einstein. Datos obtenidos en un gas de átomos de rubidio, la coloración indica la cantidad de átomos a cada

velocidad, con el rojo indicando la menor y el blanco indicando la mayor. Las áreas blancas y celestes indican las menores velocidades. A la izquierda se observa el diagrama inmediato anterior al condensado de Bose-Einstein y al

centro el inmediato posterior. A la derecha se observa el diagrama luego de cierta evaporación, con la sustancia cercana a un condensado de Bose-Einstein puro. El pico no es infinitamente angosto debido al Principio de

indeterminación de Heisenberg: dado que los átomos están confinados en una región del espacio, su distribución de velocidades posee necesariamente un cierto ancho mínimo. La distribución de la izquierda es para T > Tc (sobre 400

nanokelvins (nK)), la central para T < Tc (sobre 200 nK) y la de la derecha para T << Tc (sobre 50 nK)

En física, el condensado de Bose-Einstein es el estado de agregación de la materia que se da en ciertos materiales a muy bajas temperaturas. La

propiedad que lo caracteriza es que una cantidad macroscópica de las partículas del material pasan al nivel de mínima energía, denominado estado fundamental. El condensado es una propiedad cuántica que no tiene análogo

clásico. Debido al principio de exclusión de Pauli, sólo las partículas bosónicas pueden tener este estado de agregación: si las partículas que se han enfriado son fermiones, lo que se encuentra es un líquido de Fermi.

RESULTADOS:

Un problema conceptual es que la absorción también puede acelerar los áto-mos si las capturas son por detrás, por lo que es necesario contar con más ab-

sorciones de fotones frontales, si el objetivo es reducir la velocidad de los áto-mos. Desde la perspectiva del átomo, el fotón frontal es visto como Doppler desplazado hacia arriba, hacia su frecuencia de resonancia y por lo tanto más

fuertemente absorbido que un fotón viajando en la dirección opuesta, el cual sería Doppler-desplazado hacia fuera de la resonancia. Como podemos ver este es un tema que apronte mente parece alejado de los estudiantes, pero

que realmente ellos logran comprender ya que con anterioridad ya revisaron los modelos atómicos de; Dalton, Thompson, Rutherfor y Bohr. En este nivel los educandos tienen muchos preconceptos ya revisados, o que

facilita su comprensión.

Conclusión.

Con la presente investigación, podemos ver que la manipulación de átomos utilizando láser, sin lugar a dudas establecerá las bases para nuevas tecnolog-ías y con ello un relevante numero de aplicaciones. Dándole prioridad a la teor-

ía de Bohr, la cual se actualiza y tiene una aplicación más, de las muchas que se han hecho desde su promulgación.

Con respecto al trabajo los alumnos, es importante ya que ellos pueden darse

cuenta que no todo dentro de la ciencia está terminado, sino que hay un campo abierto para que ellos desarrollen sus ideas, pero a partir de una base, como es la teoría atómica de Bohr y que hay mucho en que aprovecharla.

Se espera que ellos logren comprender mejor la importancia de toda la teoría planteadas durante el curso de Química y por qué esta materia esta incluida dentro del plan de estudio siendo una materia del carácter de cultura general.

Bibliografìa.

1.- Cruz/ Chamizo/Garritz, Estructura atómica, Addison-Wesley Iberoamericana,1ªed. USA, 1991

2.- Chang Raymond, Quìmica 6ª ed. McGraw-Hill, México 1999.

http://cienciaes.com/ulises/2012/03/20/enfriamiento-atomico/

http://www.mty.itesm.mx/die/ddre/transferencia/61/61-III.05.html http://elpais.com/diario/1997/10/22/sociedad/877471224_850215.ht

ml Tabla 1 Resultados de la aplicación de la estrategia pregunta-tema en dos grupos de FisicaIII. CCHAzcapotzalco. Mayo 2014.

Aspectos Número Pregunta-tema

Problema

A B C D E F

expocición

1 1.0 0.6 1.0 0.4 0.8 1.0

2 0.8 0.8 0.8 0.4 0.6 0.8

3 0.8 0.6 0.6 0.4 0.8 0.8

4 1.0 0.6 0.8 0.6 0.6 0.8

Equipo

5 0.6 0.6 0.8 0.8 0.8 0.6

6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6

7 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6

8 0.6 0.6 0.6 0.8 0.6 0.6

diapositivas e

investigación

9 0.8 0.6 0.8 0.8 0.8 0.8

10 0.6 0.6 0.8 0.6 0.8 0.8

11 0.6 0.6 0.8 0.8 0.8 0.8

12 0.8 1.0 1.0 0.4 0.8 0.6

TOTAL 12 8.2 7.8 9.2 7.2 8.6 8.8

Aquí podemos ver que los resultados finales aunque no son reprobatorios si son mejo-

res que en el caso donde solo se les presento el tema. Que e nuestro caso fe que se reqa-

lizara busquefade información en ls diferentes medio.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Diagnóstico sobre trabajo en equipo

Este se hizo al inicio del primer semestre y podemos observar lo que se desprende de la gráfica 1. Gráfica 1 Porcentaje de veces que trabajaron en equipo en nivel medio grupo 110 y 130

agosto 2013