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Laser de Átomos
BEC (Bose – Einstein
Condensates)
Enrique Rodriguez Aboytes
Un Láser de Átomos es análogo a un laser óptico
pero emite ondas de materia en vez de ondas
electromagnéticas. Su salida es una onda de
átomos/materia propagada Coherentemente.
INTRODUCCIÓN
PARTES DE UN
LASER DE ÁTOMOS
PROCESO DE GANANCIA
COHERENCIA
LASER DE ÁTOMOS VS
LÁSER ÓPTICO
APLICACIONES
CONCLUSIONES
1917 Albert Einstein descubrió que la Emisión
Estimulada es el mecanismo básico para
generar luz laser.
1924 Einstein y Satyendra Nath Bose predijeron
una nueva forma de materia formada a muy
bajas temperaturas: BEC
1995 El equipo de Ketterle en el MIT realiza
experimentalmente el BEC.
1996 Julio. Creación del acoplamiento de salida
para la extracción controlada de átomos desde
el BEC. Todo listo para el láser de átomos.
1996 Noviembre. Ketterle demuestra la
coherencia del laser de átomos.
Cavidad
Resonante
INTRODUCCIÓN
PARTES DE UN
LASER DE ÁTOMOS
PROCESO DE GANANCIA
COHERENCIA
LASER DE ÁTOMOS VS
LÁSER ÓPTICO
APLICACIONES
CONCLUSIONES
Medio Activo
Extracción
Parcial
La cavidad resonante en específico para este laser,
es una trampa magnética, donde los átomos
están confinados por “Espejos Magnéticos”.
Cavidad
Resonante
INTRODUCCIÓN
PARTES DE UN
LASER DE ÁTOMOS
PROCESO DE GANANCIA
COHERENCIA
CONCLUSIONES
Extracción
Parcial
El Medio Activo es el condensado Bose – Einstein
(nube térmica de átomos a temperaturas ultrafrias).
La forma de excitación del “medio activo” es a
través de:
•
Laser cooling: átomos bombardeados con luz laser.
Las frecuencias y polarización del laser son escogidas
tal que los fotones emitidos por los átomos tienen
mas energía que los fotones absorbidos. La diferencia
de energía es responsable del enfriamiento de los
átomos (100microKelvin)
LASER DE ÁTOMOS VS
LÁSER ÓPTICO
APLICACIONES
Medio
Activo
•
Evaporative cooling: Los átomos mas calientes son
removidos de la muestra de átomos, reduciendo la
energía promedio (temperatura). Bathtub.
(nanoKelvin)
Cavidad
Resonante
INTRODUCCIÓN
PARTES DE UN
LASER DE ÁTOMOS
PROCESO DE GANANCIA
COHERENCIA
LASER DE ÁTOMOS VS
LÁSER ÓPTICO
APLICACIONES
CONCLUSIONES
Medio
Activo
Extracción
Parcial
Anterior al descubrimiento de este acoplador de
salida, el Condensado entero estaba o Atrapado
o expandiéndose libremente.
El acoplador de salida es un pulso de RF el cual
controla la reflectividad de los “Espejos
Magnéticos”.
Cavidad
Resonante
INTRODUCCIÓN
PARTES DE UN
LASER DE ÁTOMOS
PROCESO DE GANANCIA
COHERENCIA
LASER DE ÁTOMOS VS
LÁSER ÓPTICO
APLICACIONES
CONCLUSIONES
Proceso de
Ganancia
Extracción
Parcial
Los Espejos Magnéticos son 100% reflectivos para
los átomos cuando su momento magnético es
antiparalelo al campo magnético, y
completamente transmisivos para la orientación
contraria.
Variando la inclinación del momento magnético de
los átomos a través de pulsos de
radiofrecuencia, se puede ajustar la
reflectividad del espejo magnético.
Emisión
espontánea
INTRODUCCIÓN
Emisión
estimulada
PARTES DE UN
LASER DE ÁTOMOS
Saturación del
laser
LASER DE ÁTOMOS VS
LÁSER ÓPTICO
APLICACIONES
CONCLUSIONES
BEC causa dispersión
estimulada de átomos dentro
de 1 solo modo (nivel mas
bajo de energía)
En un gas normal, la dispersión
ocurre en n modos.
PROCESO DE GANANCIA
COHERENCIA
Dispersión elástica de los
átomos
Excitación del
medio activo
Cuando se alcanza el estado de
BEC, 1 solo modo es el que emite,
correspondiente al nivel mas bajo
de energía @ nanokelvin.
Evaporative cooling: Este
proceso de evaporación crea una
nube fuera de equilibrio térmico
y se relaja hacia temperaturas
mas frias. El BEC crece.
INTRODUCCIÓN
PARTES DE UN
LASER DE ÁTOMOS
PROCESO DE GANANCIA
COHERENCIA
LASER DE ÁTOMOS VS
LÁSER ÓPTICO
En las gráficas se observa el patrón de
interferencia de alto contraste que resulta al
interferir dos ondas BEC.
Resultados del patrón de Interferencia:
APLICACIONES
Periodo=15 micrómetros
BEC @ 5 nKelvin
CONCLUSIONES
Periodo=0.04 nanómetros
Átomos a temperatura
ambiente
INTRODUCCIÓN
PARTES DE UN
LASER DE ÁTOMOS
PROCESO DE GANANCIA
COHERENCIA
LASER DE ÁTOMOS VS
LÁSER ÓPTICO
APLICACIONES
CONCLUSIONES
Este laser emite pulsos de
átomos coherentes.
Cada pulso mostrado en la Figura
contiene de 100.000 a varios
millones de átomos
coherentes acelerados hacia
abajo por la gravedad.
La forma curvada de los pulsos
fue causada por la gravedad y
las fuerzas entre los átomos.
(campo visual 2.5 milímetro X
5.0 milímetros.)
http://web.mit.edu/newsoffice/1997/laser.html
Fotones pueden ser creados, los átomos no.
INTRODUCCIÓN
PARTES DE UN
LASER DE ÁTOMOS
PROCESO DE GANANCIA
COHERENCIA
LASER DE ÁTOMOS vs
LÁSER ÓPTICO
APLICACIONES
CONCLUSIONES
Hay interacción entre Átomos ocasionando
separación adicional del haz. Debido a esto una
onda de materia no puede viajar lejos a través
del aire.
Los átomos son partículas con masa, aceleradas
por la gravedad.
Los BEC ocupan el modo mas bajo (estado base)
del sistema.
Un BEC se caracteriza por estar en equilibrio
térmico, a muy baja temperatura. Un L.O.
opera en situación de no equilibrio
caracterizado por temperaturas
extremadamente altas. En un BEC nunca hay
inversión de población debido a enfriamiento
vaporativo o en un BEC!
INTRODUCCIÓN
PARTES DE UN
LASER DE ÁTOMOS
•
Relojes atómicos
•
Óptica a nivel atómo
•
Metrología ultraprecisa y constantes
fundamentales
•
Pruebas de Simetría Fundamental
•
Litografía con precisión atómica para
producción de C.I.
•
Nanotecnología
PROCESO DE GANANCIA
COHERENCIA
LASER DE ÁTOMOS VS
LÁSER ÓPTICO
APLICACIONES
CONCLUSIONES
Sin embargo todavía es necesario un mejoramiento
en términos de aumentar la “potencia” así como
en reducir la complejidad del sistema (sistemas
al vacío a temperaturas ultra frías).
La salida es un haz de átomos, o materia, la cual
está sujeta a leyes físicas como la gravedad.
INTRODUCCIÓN
PARTES DE UN
LASER DE ÁTOMOS
Puede ser pulsado o continuo (este último ha sido
concebido teóricamente el 16 de Mayo 2002,
sin embargo no ha sido demostrado).
PROCESO DE GANANCIA
COHERENCIA
LASER DE ÁTOMOS VS
LÁSER ÓPTICO
APLICACIONES
CONCLUSIONES
El Haz de átomos se propaga con una Ecuación de
Onda: Ecuación de Schroedinger, a diferencia
de las Ecuaciones de Maxwell que aplican para
los laseres ópticos.
El límite difractivo en óptica es análogo al Principio
de Incertidumbre de Heisenberg para los
átomos.
BIBLIOGRAFÍA
http://cua.mit.edu/ketterle_group/Projects_1997/atomlaser_97/a
tomlaser_comm.html
http://web.mit.edu/newsoffice/1998/discover-0610.html
http://web.mit.edu/newsoffice/1997/laser.html
http://web.mit.edu/newsoffice/2002/atomsource.html
http://www.fcen.uba.ar/prensa/noticias/2001/noticias_10oct_200
1.html
http://www-optica.inaoep.mx/investigadores/carlost/pdfs/1