Luz que empuja, luz que enfría

“Mi padre me ha dejado el gusto por estudiar, aprender y compartir el conocimiento.”

Dr. Claude Cohen-Tannoudji

Tal vez hayan oído hablar del premio Nobel, una condecoración muy importante, y la más importante en el ámbito de muchas ciencias. Pues bien esta vez les hablaré de una conferencia que hubo en mi facultad impartido por el Dr. Claude Cohen-Tannoudji, premio Nobel de 1997.

El doctor habló de los “Avances en física atómica, del bombeo óptico a los átomos ultrafríos.” ¿Y esto con que se come? Sigan leyendo y lo verán.

Primero, algo que tal vez les pueda sorprender es que la luz puedo empujar otros objetos. Por ejemplo cuando salen de una habitación oscura a otra más iluminada, sienten una fuerza que los impide entrar.¿Cierto? No, no es cierto. Somos demasiado pesados como para que sintamos los efectos de esa fuerza de luz, que en realidad se llama presión de radiación. La presión de radiación se nota en partículas pequeñas, como el polvo de la cola de un cometa. La cola más brillante de un cometa siempre apunta en dirección contraria al Sol, y esto ocurre precisamente por la presión de radiación.

Comet Parts

Las dos colas de un cometa, una formada por la presión de radiación y la otra por el viento solar, que mencionó Ari (mewcero).

Ahora, los átomos tienen ciertos niveles de energía, que es, por decirlo así, qué tanta energía tienen por la posición de sus electrones. Los electrones si reciben la energía suficiente pueden “saltar hacia la orilla del átomo” (se llama absorción) y si se pueden deshacer de alguna de esa energía, “saltar hacia el núcleo del átomo” (se llama emisión).

En 1962 se observó que la luz puede influir en estos niveles de energía. Más precisamente que una luz polarizada circularmente, es decir una luz cuyas ondas describen un círculo (que conforme van avanzando, generan una espiral), podía hacer que los átomos fueran adquiriendo más energía en sus electrones . Esto fue el precursor de los láseres, estos dispositivos que logran que los electrones emitían luz con la misma intensidad y frecuencia; como si los átomos fueran los niños de un coro que brillaran todos iguales. Usando los láseres, en 1980 se encontró que además de darle más energía a los átomos, la luz también podía enfriarlos, y más aún, atraparlos. ¿Pero cómo? ¡Si todos sentimos calor cuando acercamos la mano a un foco! Pues gracias a la presión de radiación, pues si se pone a la particulita en un campo de láseres enfrentados, éstos no la dejan moverse y se va enfriando poco a poco, como un insecto que ha caído en un recipiente con aceite. Además, si se usan lentes para concentrar los rayos de luz, las partículas están forzadas a seguir el camino de la luz, y se concentran en un punto llamado foco. Es decir, que se pueden hacer pinzas con luz para manipular átomos y otras partículas a voluntad.

Laser optique en Wikimedia Commons. Liberado al dominio público

Un láser concentrado en un punto es el principio de las pinzas ópticas.

Desde entonces, se han logrado muchos avances en este campo de la física, de los cuáles mencionaré algunos.

  • Los cristales son muy interesantes porque la geometría de sus electrones permite hacer muchos experimentos acerca de la naturaleza de la materia en pequeña escala. Sin embargo, con estos avances, están en desarrollo las mallas ópticas. Mallas creadas con la interferencia de láseres, que tienen propiedades similares a los cristales, pero ya no hablando de algo tan pequeño como los electrones, sino algo un poco más grande como los átomos. Esto nos permite observar más propiedades de la materia, pues es como si hubiéramos hecho zoom.
USDA Mineral Quartz Crystal 93c3951, en Wikimedia Commons. Liberado al dominio público.

Por la estructura ordenada de sus electrones, los cristales son importantes para la física. Otras ciencias los ven desde otros enfoques, como la geología, que nos puede explicar, como hizo elenaluciano, los cristales que se formaron en la cueva de Naica.

  • Si se trata de medir el tiempo, los relojes atómicos son los más precisos que se tienen. Éstos utilizan la frecuencia a la que un electrón va brincando de una parte del átomo a otra. Su precisión depende, entre otras cosas de la temperatura de los átomos que se usan; los átomos fríos se mueven mucho más lento, lo que permite que se puede calibrar en un tiempo mayor, y hacer que los choques entre átomos se reduzcan. ¿Pero eso qué? Pues que cada vez, enfriándolos con los láseres se logran átomos más fríos, átomos ultrafríos. La teoría de la relatividad general de Einstein (estoy casi seguro que mewcero les hablará en un futuro sobre ello) dice que el tiempo varía debido a la masa de los objetos. Pues bien, los relojes atómicos ultrafríos, en este momento, podrían detectar un cambio en el tiempo que miden con estar situados a sólo 30 cm uno arriba del otro. Esto permitiría hacer un mejor conocimiento de la Tierra, usando estas variaciones pequeñísimas en el tiempo y la gravedad.
ChipScaleClock2 HR en Wikimedia Commons. Liberado al dominio público.

Reloj atómico del tamaño de un chip.

  • En todo esto, hemos usado la dualidad onda-partícula, que, en pocas palabras dice que en ciertas condiciones la materia se puede comportar como ondas y las ondas como materia. Pero para que la materia se comporte como onda, es necesario que se mueva muy lento. Y de nuevo, aparecen: ¡los átomos ultrafríos! Pues con ellos se pueden hacer láseres. Pero si ya conocemos los láseres. Sí, pero no los láseres de materia. Es decir, a bajas temperaturas logramos que la materia se comporte como ondas, ondas que con los procesos adecuados. Esto permitiría llevar las aplicaciones de los láseres, a un nivel más elevado, como crear estructuras más grandes, pues la materia con la que puede interactúar puede ser más masiva y de dimensiones mayores.
  • Y otra aplicación de los átomos ultrafríos sería en hacer gases cuánticos ultra fríos. Los átomos mientras se enfrían más y más, dejan de vibrar y empiezan a comportarse como un pelotón de soldados; como un todo muy ordenado, no como átomos individuales, hasta llegar al estado límite llamado el condensado de Bose-Einstein. Con lo descubierto para ultraenfriar los átomos, nos podemos acercar a dicho condensado. Esto permitiría un mejor entendimiento de la física de cuerpos fríos, dando herramientas para los nuevos tipos de movimiento que se descubran.

Yawning newborn baby
Todos estos átomos muy fríos, abren todo un nuevo campo en la investigación, de nuevos estados de la materia. Es un campo en desarrollo, y tal vez ahora no se le vean aplicaciones prácticas. Se predice que traerá nuevas formas de estudiar la materia, pero por ahora son muy costosas. Pero, como le respondió Faraday a la Reina cuando ésta le preguntó para qué servía lo que recién había descubierto: “¿Cómo saber para qué sirve un recién nacido?”

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