Enfriamiento de atomos por laser

ENFRIAMIENTO DE ATOMOS POR LASER

RESUMEN

Desde el descubrimiento del rayo láser ha aparecido una gran cantidad de aplicaciones para esta maravilla tecnológica.

Ya son familiares las aplicaciones en la medicina, en la metalurgia y hasta en nuestra casa, pero seguramente sorprenderá saber que el rayo láser se utiliza actualmente para enfriar átomos. En muchas aplicaciones, la energía del rayo láser se aprovecha para aumentar la temperatura de zonas bien determinadas, ya sea para cortar un material con alta precisión, soldar dos piezas o cauterizar una herida. Por eso es que la idea de enfriar átomos usando rayo láser suena por demás extraña. ¿Cómo es posible que el rayo láser, que puede cortar como si fuese mantequilla una placa de acero, pueda también enfriar un átomo? Esto, sin embargo, nos parecerá natural cuando veamos los conceptos de calor, temperatura y la interacción de los átomos con la radiación laser.

La idea de utilizar la radiación laser para enfriar átomos fue propuesta por primera vez en 1975 por. T. Hansch y A. Schawlow en un trabajo que publicaron en la revista científica Optics Communications. Los primeros experimentos para obtener el enfriamiento de átomos por esta técnica fueron realizados en 1985 por un grupo de investigadores de los laboratorios Bell encabezado por Steven Chu. A la fecha, con la utilización de esta técnica, se ha logrado enfriar átomos hasta temperaturas tan bajas como unos cuantos microkelvin, unas cuantas millonésimas de grado sobre el cero absoluto. Son muchos los laboratorios del mundo que trabajan en el mejoramiento y la aplicación de esta técnica para estudiar nuevos fenómenos físicos, y en instrumentos como relojes atómicos de precisión antes inimaginable. De hecho en 1997, los investigadores Steven Chu, Claude N. Cohen-Tannoudji y William D. Phillips recibieron el Premio Nobel de la física por el desarrollo y aplicación exitosa de esta técnica para enfriar átomos.

1. Calor, movimiento y temperatura.

El calor calienta los cuerpos, los derrite, los evapora y los quema; entonces, para enfriar un objeto hay que quitarle calor. Pero, ¿Qué es el calor? ¿Dónde reside el calor que tienen las cosas y como se lo podemos “quitar”?

Las moléculas de vapor de agua tienen masa, para acelerarla tenemos que aplicar una fuerza, la cual, según las leyes de la mecánica enunciadas por Isaac Newton desde 1686, debe tener un valor igual al producto de la masa por la aceleración. Durante el tiempo que aplicamos una fuerza sobre la partícula, su velocidad cambia de un valor inicial a una velocidad final y, además, la partícula se desplaza cierta distancia. Esto es muy importante, porque en la física, el trabajo realizado por una fuerza sobre un objeto se define como el producto del valor de esta fuerza por la distancia que recorre el objeto mientras la fuerza actúa sobre él. El trabajo definido de esta manera, es una forma de transferir energía; por lo tanto, al calentar el vapor de agua estamos realizando un trabajo para acelerar sus moléculas y le estamos proporcionando energía. ¡El calor es una forma de energía!.

Energía y movimiento

La intensidad del movimiento molecular depende del grado de calentamiento del cuerpo, que correctamente hablando, se caracteriza por su temperatura (T). Debido a esto, el movimiento molecular se conoce también como movimiento térmico. De esta teoría se desprende que la energía promedio de las moléculas es proporcional a la temperatura (T). Por energía se entiende la capacidad de hacer trabajo, y por cuerpo entendemos cualquier objeto de la naturaleza. Si recordamos lo mencionado, el trabajo es el producto del desplazamiento por la fuerza que actúa sobre un cuerpo. Ahora, ¿Cómo puede un cuerpo realizar trabajo sobre otro? Un ejemplo, es el choque de autos; en un evento de esta naturaleza vemos como un objeto en movimiento puede desplazar a otro. Por lo tanto, ese cuerpo posee energía debido a su movimiento (si su velocidad es nula no hay desplazamiento). Esta energía se conoce como energía cinética y es igual a la mitad del producto de la masa del cuerpo por el valor de su velocidad elevado al cuadrado.

Un cuerpo también puede poseer energía potencial. La energía potencial se concibe como aquella que el cuerpo tiene debido a su posición, como la que se tiene al iniciar el descenso en la montaña rusa, al descender de la montaña rusa uno adquiere mayor velocidad es decir, la energía potencial se transforma en energía cinética. Por último, un cuerpo tiene también energía interna; esta energía se concibe como la energía que une a los átomos o moléculas que constituyen el cuerpo, es la energía liberada en una reacción química, como en una explosión o en un cambio de estado.

Podemos decir que la energía total de un cuerpo será la suma de estas tres energías mencionadas: la cinética, la potencial, y la interna:

Temperatura

La temperatura es la medida de la energía cinética promedio de las moléculas. Durante el desarrollo de los conceptos de calor y temperatura, sus significados no eran claros, y hubo muchas propuestas de diseño y construcción de termómetros y de escalas de temperatura de la cuales unas cuantas sobreviven a la fecha. Una manera de construir una escala de temperatura es simplemente tomar dos puntos fijos de temperatura, a los cuales se les asigna un valor numérico arbitrario, y después se colocan cuantas divisiones sean necesarias en la escala para definir la temperatura en puntos intermedios. Fahrenheit construyo de esta manera la escala que lleva su nombre: tomo como puntos fijos la temperatura de la fusión del hielo y la temperatura del cuerpo humano, a los cuales asigno los valores de 32 y 96.

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