Existen en el mundo cuatro grupos empe\u00f1ados en obtener, partiendo de \u00e1tomos de calcio, un extra\u00f1o 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 peri\u00f3dica, como el sodio, litio y rubidio. “La ventaja del calcio y de otros integrantes de la segunda columna reside en su peculiar estructura electr\u00f3nica, que puede permitir simplificar el m\u00e9todo de obtenci\u00f3n de los condensados”, dice Scalabrin.<\/p>\n
Fl\u00e1vio Caldas da Cruz, tambi\u00e9n del Grupo de L\u00e1seres del Instituto de F\u00edsica de la Unicamp, que desarrolla el proyecto, recuerda: “Cuando se produjo el primer condensado, se cre\u00f3 la expectativa de que suceder\u00eda en el sector la misma explosi\u00f3n provocada por la creaci\u00f3n del l\u00e1ser, en los a\u00f1os 60. No obstante, pasados casi siete a\u00f1os, apenas un n\u00famero limitado de grupos experimentales obtuvo estos condensados. El principal motivo de ello es la gran dificultad t\u00e9cnica, en particular la asociada a la trampa magn\u00e9tica, para obtener estos objetos”.<\/p>\n
“De all\u00ed el inter\u00e9s en el condensado de calcio”, explica Cruz. “Gracias a su estructura de niveles, este elemento tiene propiedades espec\u00edficas que ofrecen la perspectiva de llegar a tal estado de la materia solamente mediante m\u00e9todos \u00f3pticos. Para ello, un segundo tipo de trampa, similar a una pinza \u00f3ptica, sustituir\u00eda a la trampa magn\u00e9tica. Esto representar\u00eda un importante atajo para los condensados.”<\/p>\n
\u00c1tomos aprisionados En la batalla por el condensado, el grupo ya est\u00e1 haciendo lo m\u00e1s dif\u00edcil: aprisionar \u00e1tomos de calcio. Para tal fin, adopta el siguiente procedimiento: inicialmente, un horno calienta al calcio met\u00e1lico, transform\u00e1ndolo en vapor y llev\u00e1ndolo a una temperatura de 600 grados Celsius. Con el calentamiento, los \u00e1tomos alcanzan una velocidad media de 700 metros por segundo (m\/s). En vac\u00edo, los \u00e1tomos son colimados – o sea, sus trayectorias se vuelven paralelas – y constituyen un haz.<\/p>\n Luego, al desplazarse por un tubo, el chorro de \u00e1tomos se desacelera debido a la presi\u00f3n de radiaci\u00f3n de un l\u00e1ser que apunta en sentido contrario – los fotones, part\u00edculas de luz, tienen la capacidad de presionar a la materia, lo que produce un fen\u00f3meno similar a la cola de los cometas. La desaceleraci\u00f3n por l\u00e1ser – alrededor de un mill\u00f3n de veces mayor, en valor absoluto, a la aceleraci\u00f3n de la gravedad – hace que la velocidad de los \u00e1tomos caiga a cerca de 0,5 m\/s. Los \u00e1tomos desacelerados pueden ser aprisionados mediante un dispositivo compuesto de seis l\u00e1seres – opuestos de dos en dos y dispuestos seg\u00fan tres direcciones ortogonales, cada una correspondiente a un eje cartesiano del espacio – y un campo magn\u00e9tico.<\/p>\n Con esta t\u00e9cnica, unos 10 millones de \u00e1tomos son confinados en una esfera de 1 mil\u00edmetro de di\u00e1metro. la baja movilidad hace que su temperatura caiga abruptamente a una meseta de 1 milikelvin, una mil\u00e9sima de grado por encima del cero absoluto (el cero kelvin corresponde a -273,15 grados Celsius). El tiempo de permanencia de las \u00e1tomos en la trampa es de cerca de 20 milisegundos – duraci\u00f3n que parece irrisoria, pero para la escala de tiempo de los fen\u00f3menos at\u00f3micos, es mucho. “Aun a esa temperatura baj\u00edsima contin\u00faan produci\u00e9ndose colisiones entre los \u00e1tomos. Es la llamada colisi\u00f3n ultrafr\u00eda, muy poco estudiada hasta el momento para elementos de la segunda columna de la tabla peri\u00f3dica”, comenta Pereira.<\/p>\n Relojes at\u00f3micos El investigador se refiere a la transici\u00f3n del calcio. Para entender esto, es preciso recordar el modelo cu\u00e1ntico del \u00e1tomo, formulado por el dan\u00e9s Niels Bohr en 1912. Cuando recibe un aporte externo de energ\u00eda, el electr\u00f3n salta de un nivel relativamente cercano al n\u00facleo hacia otro m\u00e1s distante. Transcurrido un intervalo de tiempo indeterminado, la part\u00edcula abandona esta condici\u00f3n excitada y retorna a su estado fundamental, devolvi\u00e9ndole al medio exterior la energ\u00eda excedente. Bohr elabor\u00f3 su modelo para el \u00e1tomo de hidr\u00f3geno, el m\u00e1s simple de todos, constituido por tan solo un prot\u00f3n y un electr\u00f3n. Pero \u00e9ste puede generalizarse a \u00e1tomos m\u00e1s complejos. En el caso del calcio, que tiene 20 electrones distribuidos en varias capas, las dos part\u00edculas del \u00faltima camada se desplazan hacia niveles diferentes cuando son excitadas.<\/p>\n La energ\u00eda para esto es suministrada por los fotones, part\u00edculas ligadas a la interacci\u00f3n electromagn\u00e9tica, que componen la emisi\u00f3n del l\u00e1ser. Para producir estas transiciones, el l\u00e1ser debe ser altamente monocrom\u00e1tico, con un color muy bien definido. La frecuencia asociada a cada transici\u00f3n es la del l\u00e1ser – id\u00e9ntica a la de la luz emitida por el \u00e1tomo cuando sus electrones vuelven al estado fundamental. “Entre las muchas transiciones posibles de un \u00e1tomo, aquellas que realmente interesan son las que involucran a los llamados niveles metaestables, en los cuales el electr\u00f3n es capaz de permanecer durante un largo tiempo, antes de decaer”, afirma Cruz.<\/p>\n “Esto se debe al hecho de que, cuanto mayor es el tiempo de permanencia del electr\u00f3n en un nivel, m\u00e1s definida es la energ\u00eda necesaria para producir esta excitaci\u00f3n. Cuando el tiempo de permanencia es corto, existe una gran indefinici\u00f3n en el valor de la energ\u00eda – consecuencia directa del Principio de la Incertidumbre, uno de los pilares de la f\u00edsica cu\u00e1ntica.” Tres transiciones son especialmente interesantes en el calcio. Dos son estimuladas por la radiaci\u00f3n electromagn\u00e9tica en la franja del infrarrojo lejano, en 1,6 y 3,2 terahertz (THz). Y otra, m\u00e1s energ\u00e9tica todav\u00eda, es producida por la luz visible en 456 THz. Estas transiciones hacen que el calcio sea extremadamente prometedor para el desarrollo de relojes at\u00f3micos de alt\u00edsima precisi\u00f3n.<\/p>\n “El motivo de esto es que, cuanto m\u00e1s elevada es la frecuencia del oscilador, mayor es la estabilidad de los ‘tic tac’ del reloj”. explica Cruz.”Los relojes at\u00f3micos convencionales, basados en el cesio y en el rubidio, utilizan oscilaciones generadas en la franja de microondas del espectro electromagn\u00e9tico, en el nivel del gigahertz (mil millones de oscilaciones por segundo). Un eventual reloj de calcio, alimentado por las oscilaciones del campo electromagn\u00e9tico de los l\u00e1seres, operar\u00eda con frecuencias millares de veces m\u00e1s altas.”<\/p>\n La idea de producir un reloj de calcio en el infrarrojo lejano, reemplazando a los generadores de microondas por l\u00e1seres como fuente excitatoria, existe desde hace cerca de 30 a\u00f1os y ha venido conquistando adeptos. Se ha verificado, por ejemplo, que enfriando a los \u00e1tomos, es posible obtener frecuencias m\u00e1s estables. Y que el calcio presenta esa otra transici\u00f3n, en la franja visible del espectro, con una frecuencia a\u00fan m\u00e1s alta. Todo eso gener\u00f3 gran expectativa, pero exist\u00eda un problema: hasta hace dos a\u00f1os, la medici\u00f3n de frecuencias en la franja del terahertz parec\u00eda imposible. De poco serv\u00eda producir una transici\u00f3n de frecuencia tan elevada si no hab\u00eda como mensurarla.<\/p>\n Fue entonces que se descubri\u00f3 que un l\u00e1ser de impulsos ultracortos podr\u00eda servir para medir la frecuencia de otro l\u00e1ser. Al contrario que en el caso del l\u00e1ser usado para excitar al \u00e1tomo, cuya emisi\u00f3n debe ser continua y altamente monocrom\u00e1tica, este l\u00e1ser medidor emite impulsos discontinuos y policrom\u00e1ticos – es decir, compuestos por radiaciones de diferentes frecuencias. Y su emisi\u00f3n policrom\u00e1tica es el llamado “peine de frecuencias” – que funciona como una regla para el registro de otras frecuencias. Esto, de por s\u00ed, ya parec\u00eda muy interesante. Pero lo impresionante era el per\u00edodo de cada impulso: del orden del femtosegundo (1 trillon\u00e9simo de segundo). Con pulsaciones tan r\u00e1pidas, ese l\u00e1ser puede registrar tranquilamente frecuencias de centenas de terahertz.<\/p>\n Ese l\u00e1ser pulsante alter\u00f3 el escenario y suministr\u00f3 el ingrediente que faltaba para el reloj at\u00f3mico 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 l\u00e1ser monocrom\u00e1tico estabilizado para la transici\u00f3nat\u00f3mica del calcio. Y el medidor,el l\u00e1ser de impulsos ultracortos. De all\u00ed hasta el reloj efectivo es cuesti\u00f3n de vencer obst\u00e1culos t\u00e9cnicos, cosa que tambi\u00e9n puede decirse con relaci\u00f3n a la obtenci\u00f3n de los condensados. Pero el camino ya est\u00e1 abierto.<\/p>\n Muy cerca del cero absoluto Previsto te\u00f3ricamente en 1924 por el indiano Satyendra Nath Bose (1894-1974) y por el judio-alem\u00e1n Albert Einstein (1879-1955), el condensado fue buscado durante d\u00e9cadas, hasta ser obtenido independientemente por el d\u00fao Cornell y Wieman y por Ketterle. La presteza de la distinci\u00f3n indica la importancia del hecho.<\/p>\n El condensado es un estado de la materia en el que los \u00e1tomos pierden sus individualidades y se comportan como una entidad \u00fanica. Ocurre cuando los corp\u00fasculos est\u00e1n en un nivel excepcionalmente bajo de energ\u00eda, en una temperatura de millon\u00e9simas de grado sobre el cero absoluto. La situaci\u00f3n probablemente no existe en la naturaleza, pues ni siquiera el espacio intergal\u00e1ctico es tan fr\u00edo, pero puede ser obtenida en laboratorio.<\/p>\n La t\u00e9cnica para ello consiste en reducir dr\u00e1sticamente la agitaci\u00f3n t\u00e9rmica de los \u00e1tomos, aprision\u00e1ndolos en un volumen muy peque\u00f1o por medio de una trampa de l\u00e1seres y de un campo magn\u00e9tico. Despu\u00e9s, es usada una trampa magn\u00e9tica manipulada con radiofrecuencia, de manera tal de expelir a los \u00e1tomos m\u00e1s energ\u00e9ticos, dejando que permanezcan apenas aquellos impecablemente quietos.La coherencia de comportamiento de ese gas de \u00e1tomos ultrafr\u00edos es tal que hace que el mismo sea, comparado con un gas a temperatura ambiente, como el l\u00e1ser es, en un ejemplo trivial, respecto a la luz de una linterna.<\/p>\n Una de las posibles aplicaciones del condensado es justamente la creaci\u00f3n de “l\u00e1seres” at\u00f3micos. Existen equipos que trabajan en esa direcci\u00f3n, pero el proceso se encuentra en una fase absolutamente preliminar. Por el momento, la investigaci\u00f3n se concentra en el estudio de las propiedades f\u00edsicas de los condensados, a\u00fan por completo desconocidas.<\/p>\n El Proyecto<\/strong>
\n<\/strong>Con su segundo proyecto tem\u00e1tico, que se encuentra en su fase final, 60 trabajos en revistas internacionales, siete tesis de doctorales y seis de maestr\u00eda concluidas en los \u00faltimos diez a\u00f1os, el Grupo de L\u00e1seres cree tener la experiencia y la altura necesaria para encarar esta empresa. “Siempre desarrollamos los equipamientos necesarios para la investigaci\u00f3n”, revela Daniel Pereira, integrante del equipo. “Somos actualmente el \u00fanico grupo brasile\u00f1o con presencia en el restringido c\u00edrculo de laboratorios internacionales capaces de realizar medidas de frecuencia de l\u00e1seres en la regi\u00f3n del terahertz (que corresponde a 1 bill\u00f3n de oscilaciones por segundo).”<\/p>\n
\n<\/strong>La obtenci\u00f3n del condensado no es la \u00fanica finalidad de este experimento. “Una de sus importantes aplicaciones pr\u00e1cticas consiste en establecer patrones universales de frecuencia, tiempo y longitud”, informa Scalabrin. “Una transici\u00f3n del calcio es actualmente utilizada como patr\u00f3n de frecuencia. Y permite definir tambi\u00e9n patrones de tiempo y longitud, esenciales en metrolog\u00eda, en redes de telecomunicaciones y de energ\u00eda el\u00e9ctrica y en navegaci\u00f3n a\u00e9rea y mar\u00edtima. Cuando los \u00e1tomos tienen velocidades m\u00e1s altas, este patr\u00f3n sufre variaciones y es perturbado por un n\u00famero mayor de colisiones. En temperaturas cercanas al cero absoluto, la frecuencia alcanza una estabilidad casi ideal. La perspectiva es construir, a partir de all\u00ed, relojes at\u00f3micos port\u00e1tiles de alt\u00edsima precisi\u00f3n.”<\/p>\n
\n<\/em><\/strong>La investigaci\u00f3n del Grupo de L\u00e1seres de la Unicamp se encamina por un campo nuevo: la producci\u00f3n 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 alem\u00e3o Wolfgang Ketterle, del Massachusetts Institute of Tecnology (MIT) – recibieron el Nobel de F\u00edsica de 2001.<\/p>\n
\nEspectroscop\u00eda At\u00f3mica y Molecular con L\u00e1seres<\/em>
\nModalidad<\/strong>
\nProyecto tem\u00e1tico
\nCoordinador<\/strong>
\nArt\u00eamio Scalabrin – Instituto de F\u00edsica de la Unicamp
\nInversi\u00f3n<\/strong>
\nR$ 199.624,98 y US$ 336.494,00<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Un equipo crea un atajo para obtener un estado especial de la materia","protected":false},"author":127,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[],"coauthors":[437,785],"class_list":["post-75451","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-ciencia-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/75451","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/127"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=75451"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/75451\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=75451"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=75451"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=75451"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=75451"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}