Existen en el mundo cuatro grupos empeñados en obtener, partiendo de átomos de calcio, un extraño estado de la materia – los condensados de Bose-Einstein -, y entre estos grupos se encuentra el de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) encabezado por Artemio Scalabrin. Los restantes utilizan elementos de la primera columna de la tabla periódica, como el sodio, litio y rubidio. “La ventaja del calcio y de otros integrantes de la segunda columna reside en su peculiar estructura electrónica, que puede permitir simplificar el método de obtención de los condensados”, dice Scalabrin.
Flávio Caldas da Cruz, también del Grupo de Láseres del Instituto de Física de la Unicamp, que desarrolla el proyecto, recuerda: “Cuando se produjo el primer condensado, se creó la expectativa de que sucedería en el sector la misma explosión provocada por la creación del láser, en los años 60. No obstante, pasados casi siete años, apenas un número limitado de grupos experimentales obtuvo estos condensados. El principal motivo de ello es la gran dificultad técnica, en particular la asociada a la trampa magnética, para obtener estos objetos”.
“De allí el interés en el condensado de calcio”, explica Cruz. “Gracias a su estructura de niveles, este elemento tiene propiedades específicas que ofrecen la perspectiva de llegar a tal estado de la materia solamente mediante métodos ópticos. Para ello, un segundo tipo de trampa, similar a una pinza óptica, sustituiría a la trampa magnética. Esto representaría un importante atajo para los condensados.”
Átomos aprisionados
Con su segundo proyecto temático, que se encuentra en su fase final, 60 trabajos en revistas internacionales, siete tesis de doctorales y seis de maestría concluidas en los últimos diez años, el Grupo de Láseres cree tener la experiencia y la altura necesaria para encarar esta empresa. “Siempre desarrollamos los equipamientos necesarios para la investigación”, revela Daniel Pereira, integrante del equipo. “Somos actualmente el único grupo brasileño con presencia en el restringido círculo de laboratorios internacionales capaces de realizar medidas de frecuencia de láseres en la región del terahertz (que corresponde a 1 billón de oscilaciones por segundo).”
En la batalla por el condensado, el grupo ya está haciendo lo más difícil: aprisionar átomos de calcio. Para tal fin, adopta el siguiente procedimiento: inicialmente, un horno calienta al calcio metálico, transformándolo en vapor y llevándolo a una temperatura de 600 grados Celsius. Con el calentamiento, los átomos alcanzan una velocidad media de 700 metros por segundo (m/s). En vacío, los átomos son colimados – o sea, sus trayectorias se vuelven paralelas – y constituyen un haz.
Luego, al desplazarse por un tubo, el chorro de átomos se desacelera debido a la presión de radiación de un láser que apunta en sentido contrario – los fotones, partículas de luz, tienen la capacidad de presionar a la materia, lo que produce un fenómeno similar a la cola de los cometas. La desaceleración por láser – alrededor de un millón de veces mayor, en valor absoluto, a la aceleración de la gravedad – hace que la velocidad de los átomos caiga a cerca de 0,5 m/s. Los átomos desacelerados pueden ser aprisionados mediante un dispositivo compuesto de seis láseres – opuestos de dos en dos y dispuestos según tres direcciones ortogonales, cada una correspondiente a un eje cartesiano del espacio – y un campo magnético.
Con esta técnica, unos 10 millones de átomos son confinados en una esfera de 1 milímetro de diámetro. la baja movilidad hace que su temperatura caiga abruptamente a una meseta de 1 milikelvin, una milésima de grado por encima del cero absoluto (el cero kelvin corresponde a -273,15 grados Celsius). El tiempo de permanencia de las átomos en la trampa es de cerca de 20 milisegundos – duración que parece irrisoria, pero para la escala de tiempo de los fenómenos atómicos, es mucho. “Aun a esa temperatura bajísima continúan produciéndose colisiones entre los átomos. Es la llamada colisión ultrafría, muy poco estudiada hasta el momento para elementos de la segunda columna de la tabla periódica”, comenta Pereira.
Relojes atómicos
La obtención del condensado no es la única finalidad de este experimento. “Una de sus importantes aplicaciones prácticas consiste en establecer patrones universales de frecuencia, tiempo y longitud”, informa Scalabrin. “Una transición del calcio es actualmente utilizada como patrón de frecuencia. Y permite definir también patrones de tiempo y longitud, esenciales en metrología, en redes de telecomunicaciones y de energía eléctrica y en navegación aérea y marítima. Cuando los átomos tienen velocidades más altas, este patrón sufre variaciones y es perturbado por un número mayor de colisiones. En temperaturas cercanas al cero absoluto, la frecuencia alcanza una estabilidad casi ideal. La perspectiva es construir, a partir de allí, relojes atómicos portátiles de altísima precisión.”
El investigador se refiere a la transición del calcio. Para entender esto, es preciso recordar el modelo cuántico del átomo, formulado por el danés Niels Bohr en 1912. Cuando recibe un aporte externo de energía, el electrón salta de un nivel relativamente cercano al núcleo hacia otro más distante. Transcurrido un intervalo de tiempo indeterminado, la partícula abandona esta condición excitada y retorna a su estado fundamental, devolviéndole al medio exterior la energía excedente. Bohr elaboró su modelo para el átomo de hidrógeno, el más simple de todos, constituido por tan solo un protón y un electrón. Pero éste puede generalizarse a átomos más complejos. En el caso del calcio, que tiene 20 electrones distribuidos en varias capas, las dos partículas del última camada se desplazan hacia niveles diferentes cuando son excitadas.
La energía para esto es suministrada por los fotones, partículas ligadas a la interacción electromagnética, que componen la emisión del láser. Para producir estas transiciones, el láser debe ser altamente monocromático, con un color muy bien definido. La frecuencia asociada a cada transición es la del láser – idéntica a la de la luz emitida por el átomo cuando sus electrones vuelven al estado fundamental. “Entre las muchas transiciones posibles de un átomo, aquellas que realmente interesan son las que involucran a los llamados niveles metaestables, en los cuales el electrón es capaz de permanecer durante un largo tiempo, antes de decaer”, afirma Cruz.
“Esto se debe al hecho de que, cuanto mayor es el tiempo de permanencia del electrón en un nivel, más definida es la energía necesaria para producir esta excitación. Cuando el tiempo de permanencia es corto, existe una gran indefinición en el valor de la energía – consecuencia directa del Principio de la Incertidumbre, uno de los pilares de la física cuántica.” Tres transiciones son especialmente interesantes en el calcio. Dos son estimuladas por la radiación electromagnética en la franja del infrarrojo lejano, en 1,6 y 3,2 terahertz (THz). Y otra, más energética todavía, es producida por la luz visible en 456 THz. Estas transiciones hacen que el calcio sea extremadamente prometedor para el desarrollo de relojes atómicos de altísima precisión.
“El motivo de esto es que, cuanto más elevada es la frecuencia del oscilador, mayor es la estabilidad de los ‘tic tac’ del reloj”. explica Cruz.”Los relojes atómicos convencionales, basados en el cesio y en el rubidio, utilizan oscilaciones generadas en la franja de microondas del espectro electromagnético, en el nivel del gigahertz (mil millones de oscilaciones por segundo). Un eventual reloj de calcio, alimentado por las oscilaciones del campo electromagnético de los láseres, operaría con frecuencias millares de veces más altas.”
La idea de producir un reloj de calcio en el infrarrojo lejano, reemplazando a los generadores de microondas por láseres como fuente excitatoria, existe desde hace cerca de 30 años y ha venido conquistando adeptos. Se ha verificado, por ejemplo, que enfriando a los átomos, es posible obtener frecuencias más estables. Y que el calcio presenta esa otra transición, en la franja visible del espectro, con una frecuencia aún más alta. Todo eso generó gran expectativa, pero existía un problema: hasta hace dos años, la medición de frecuencias en la franja del terahertz parecía imposible. De poco servía producir una transición de frecuencia tan elevada si no había como mensurarla.
Fue entonces que se descubrió que un láser de impulsos ultracortos podría servir para medir la frecuencia de otro láser. Al contrario que en el caso del láser usado para excitar al átomo, cuya emisión debe ser continua y altamente monocromática, este láser medidor emite impulsos discontinuos y policromáticos – es decir, compuestos por radiaciones de diferentes frecuencias. Y su emisión policromática es el llamado “peine de frecuencias” – que funciona como una regla para el registro de otras frecuencias. Esto, de por sí, ya parecía muy interesante. Pero lo impresionante era el período de cada impulso: del orden del femtosegundo (1 trillonésimo de segundo). Con pulsaciones tan rápidas, ese láser puede registrar tranquilamente frecuencias de centenas de terahertz.
Ese láser pulsante alteró el escenario y suministró el ingrediente que faltaba para el reloj atómico de calcio. Pues, en principio, todo lo que se necesita para hacer el reloj es un oscilador estable y un medidor de oscilaciones. El oscilador, en este caso, es el láser monocromático estabilizado para la transiciónatómica del calcio. Y el medidor,el láser de impulsos ultracortos. De allí hasta el reloj efectivo es cuestión de vencer obstáculos técnicos, cosa que también puede decirse con relación a la obtención de los condensados. Pero el camino ya está abierto.
Muy cerca del cero absoluto
La investigación del Grupo de Láseres de la Unicamp se encamina por un campo nuevo: la producción experimental de un condensado de Bose-Einstein fue obtenida por primera vez en 1995, y sus autores – los estadounidenses Eric Cornell y Carl Wieman, de la Universidad de Colorado, en Boulder, y el alemão Wolfgang Ketterle, del Massachusetts Institute of Tecnology (MIT) – recibieron el Nobel de Física de 2001.
Previsto teóricamente en 1924 por el indiano Satyendra Nath Bose (1894-1974) y por el judio-alemán Albert Einstein (1879-1955), el condensado fue buscado durante décadas, hasta ser obtenido independientemente por el dúo Cornell y Wieman y por Ketterle. La presteza de la distinción indica la importancia del hecho.
El condensado es un estado de la materia en el que los átomos pierden sus individualidades y se comportan como una entidad única. Ocurre cuando los corpúsculos están en un nivel excepcionalmente bajo de energía, en una temperatura de millonésimas de grado sobre el cero absoluto. La situación probablemente no existe en la naturaleza, pues ni siquiera el espacio intergaláctico es tan frío, pero puede ser obtenida en laboratorio.
La técnica para ello consiste en reducir drásticamente la agitación térmica de los átomos, aprisionándolos en un volumen muy pequeño por medio de una trampa de láseres y de un campo magnético. Después, es usada una trampa magnética manipulada con radiofrecuencia, de manera tal de expelir a los átomos más energéticos, dejando que permanezcan apenas aquellos impecablemente quietos.La coherencia de comportamiento de ese gas de átomos ultrafríos es tal que hace que el mismo sea, comparado con un gas a temperatura ambiente, como el láser es, en un ejemplo trivial, respecto a la luz de una linterna.
Una de las posibles aplicaciones del condensado es justamente la creación de “láseres” atómicos. Existen equipos que trabajan en esa dirección, pero el proceso se encuentra en una fase absolutamente preliminar. Por el momento, la investigación se concentra en el estudio de las propiedades físicas de los condensados, aún por completo desconocidas.
El Proyecto
Espectroscopía Atómica y Molecular con Láseres
Modalidad
Proyecto temático
Coordinador
Artêmio Scalabrin – Instituto de Física de la Unicamp
Inversión
R$ 199.624,98 y US$ 336.494,00
