Cinvestav en su tinta

Oscar Rosas-Ortiz*

*Investigador del Departamento de Física del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional (IPN). Editor de la presente columna.

Oscar Rosas-Ortiz*

Camposmagnéticossintéticos

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Cinvestav en su tintan condensado de Bose-Eisntein (cbe) es un estado cuántico muy especial; se manifiesta en gases extremadamente diluidos, enfriados a temperaturas cercanas al cero abso-luto (aprox. -273oC) y confinados por la acción de un potencial externo. Estos gases están compuestos por partículas conocidas como bosones y se les usa como modelo de

materia condensada en el estudio de las manifestaciones macroscópicas de los sistemas cuán-ticos de muchos cuerpos (como la superconductividad, por ejemplo). Sin embargo, los cbe son eléctricamente neutros y muchos de los fenómenos más importantes ocurren para partículas cargadas en presencia de campos magnéticos. Aunque es posible imitar el efecto del campo magnético en una nube de átomos neutros, bastará con hacer rotar a la nube, los campos que se obtienen de esta forma resultan poco intensos en magnitud (entre otras limitantes). Re-cientemente, un equipo de investigadores del Joint Quantum Institute del nist (Universidad de Colorado, Estados Unidos) y del Departamento de Física del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav), del Instituto Politécnico Nacional (ipn) reportaron un méto-do óptico para sintetizar campos magnéticos en átomos neutros ultra-fríos que no tiene las limitantes del método rotacional. Entre las ventajas se tiene que este nuevo método permite obtener campos magnéticos muy intensos.

U

Un cuerpo negro es la idealización de un sistema que absorbe toda la radiación elec-tromagnética (luz visible, ondas de radio, rayos X, etcétera) que incide sobre él. En particular, como no hay luz visible que se refleje o se transmita por el sistema, este se tornará de color negro a temperaturas muy bajas. Sin embargo, dependiendo de la temperatura, el cuerpo negro emitirá un espectro de radiación térmica conocida como radiación (o espectro) del cuerpo negro. Este simple modelo resultó ser parte del talón de Aquiles de la Física Newtoniana y el nicho apropiado para el surgimiento de la Física Cuántica a principios del siglo xx. La primera descripción acertada del fenómeno fue proporcionada por Max Planck, pagando el precio de cuantizar la forma en que la radia-ción electromagnética interactúa con la materia. Es decir, para Planck la luz se absorbe o se emite por la materia sólo en pequeñas porciones de energía llamados cuantos. Un poco después, Albert Einstein afinaría la interpretación de Planck proponiendo que la radiación en sí misma está compuesta por partículas.

En 1924 Satyendra Nath Bose, un físico Indio especializado en Física-Matemática, obtuvo una derivación del espectro del cuerpo negro usando argumentos puramente estadísticos. En su modelo, la radiación del cuerpo negro se describe como un gas de partículas (cuantos de luz) que no interactúan entre sí. Ante la negativa de algunas revis-tas científicas para publicar sus resultados, Bose compensó su frustración escribiéndole una carta al ya entonces famoso Einstein para conocer su opinión. Einstein no sólo se interesó en el reporte de Bose sino que él mismo se dio a la tarea de traducirlo al alemán para enviarlo, con su recomendación, a la revista Zeitschrift für Physik. Un poco después (1924-25), Einstein extendió las ideas de Bose al caso de un gas de átomos sin interacción entre ellos. Como resultado se obtuvo el nacimiento de la Estadística de Bose-Einstein. A las partículas que obedecen esta estadística (por ejemplo los cuantos de luz) se les conoce como bosones. Con sus resultados, Einstein notó un comportamiento singular en la forma en la que los átomos se distribuyen con respecto a las energías cuantizadas del gas que estaba estudiando. A temperaturas muy bajas (pero finitas) hay una gran cantidad de átomos que gustan de estar en el estado de energía más baja posible. Como resultado, el gas se separa en una parte condensada y otra que se mantiene como un gas ideal (es decir, como un gas en la descripción clásica). Las partículas que pertenecen a la parte condensada, de origen puramente cuántico, comparten propiedades que les permiten manifestarse como un solo sistema macroscópico. Así, un cbe es un sistema que exhibe un comportamiento cuántico a escala macroscópica, lo que justifica la im-portancia de su estudio en la Física contemporánea. Después de más de una década de espera, a finales de los años treinta, Fritz London y Laszlo Tisza proponen que la super-

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fluidez del helio 4 líquido involucra un mecanismo de condensación a la Bose-Einstein. La superfluidez es un estado de la materia donde la viscosidad es estrictamente cero. Un superfluido es una sustancia que fluye sin fricción, así que en un circuito cerrado el superfluido circularía eternamente. 60 años después, en 1995, Eric Cornell y Carl Wie-man generaron un cbe usando átomos de rubidio enfriados a 170 nano-Kelvins (aprox. -130ºC) en sus laboratorios del nist-jila, en la Universidad de Colorado. Por sus resulta-dos estos investigadores fueron galardonados, junto con Wolfgang Ketterle del mit, con el Premio Nóbel de Física 2001.

Sin embargo, los átomos son eléctricamente neutros y los cbe correspondientes tam-bién. Esta situación imposibilita el uso de cbe como modelo de materia condensada cargada en el estudio de su interacción con, digamos, un campo magnético. En Física sabemos que los campos magnéticos están íntimamente relacionados con el movimien-to rotacional de las partículas cargadas. En los cursos introductorios es común pedir a los estudiantes que demuestren que un electrón (carga negativa) desplazándose en presencia de un campo magnético uniforme rotará alrededor del eje del campo. Esta idea ha permitido sintetizar campos magnéticos en nubes neutras de átomos al inducir rotaciones en las nubes. Sin embargo, el proceso es limitado ya que la intensidad del campo que se obtiene es proporcional a la rapidez de giro de las nubes. A mayor rapi-dez mayor intensidad, pero también a mayor rapidez los átomos se alejan unos de otros y la nube se diluye. Por otro lado, el recipiente que contiene al gas incluye limitantes adi-cionales ya que las dimensiones y la geometría de éste influyen en la rapidez que puede llegar a alcanzar el gas y, por consiguiente, en la intensidad del campo generado. En la página 628 del volumen 462 de la revista Nature (3 de Diciembre de 2009), el equipo in-tegrado por Y.J. Lin, R.L. Compton, K. Jímenez-García, J.V. Porto e I.B. Spielman enfren-tan este problema en los laboratorios del nist-jqi. Estos autores reportan un mecanismo sencillo y elegante para crear campos magnéticos sintéticos en un sistema atómico neu-tro y ultra frío. En un modelo simplista podemos decir que su cbe presenta pequeños remolinos que corresponden a vórtices cuantizados del flujo de campo magnético. Con un par de láseres, estos investigadores generan un campo vectorial uniforme en su cbe. Después, ajustan espacialmente los láseres para producir un remolino en el campo vectorial de forma tal que los átomos que están en extremos opuestos de la nube expe-rimentan diferentes interacciones con el campo. Esta diferencia induce rotaciones en los átomos que imitan el comportamiento de los electrones arriba descritos. Es decir, se ha logrado implementar un campo magnético sintético que actúa sobre cbe neutros. Para que el lector pueda hacerse un esquema simplista de la situación puede pensar en un rio y una margarita que flota en él. La irregularidad del lecho del rio (hoyos, piedras, etcétera) produce remolinos en el flujo de agua de tal suerte que la margarita no solo gira sobre su propio eje sino que puede quedar rotando por algún tiempo alrededor del vórtice de un remolino. Lo que cambia a lo largo del rio es la dirección local de la corriente aunque globalmente el agua siempre se desplace rio abajo. En nuestro mode-lo, el rio representa al campo vectorial generado por los láseres y la irregularidad del lecho del rio es lo que se produce al ajustarlos espacialmente. La margarita es entonces el equivalente al átomo que gira alrededor de los vórtices de los remolinos que son, a su vez, equivalentes a los vórtices cuantizados del flujo del campo magnético.

Los resultados de Lin y colaboradores son muy estimulantes porque se vislumbra el inicio de una nueva rama de investigación en el área de los gases atómicos ultra fríos. Sus aplicaciones podrían incluir nuevas técnicas de medición en superfluidos compues-tos de átomos ultra fríos y en sistemas superconductores, entre otros. Sus resultados incluyen campos suficientemente intensos como para ser aplicados en información y cómputo cuánticos por medio del efecto Hall cuántico.

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