Laser de Átomos BEC (Bose – Einstein Condensates) Enrique Rodriguez Aboytes.

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1 Laser de Átomos BEC (Bose – Einstein Condensates) Enrique Rodriguez Aboytes

2 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. 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. INTRODUCCIÓN PARTES DE UN LASER DE ÁTOMOS PROCESO DE GANANCIA COHERENCIA LASER DE ÁTOMOS VS LÁSER ÓPTICO APLICACIONES CONCLUSIONES

3 Medio ActivoExtracción Parcial Cavidad Resonante La cavidad resonante en específico para este laser, es una trampa magnética, donde los átomos están confinados por “Espejos Magnéticos”. INTRODUCCIÓN PARTES DE UN LASER DE ÁTOMOS PROCESO DE GANANCIA COHERENCIA LASER DE ÁTOMOS VS LÁSER ÓPTICO APLICACIONES CONCLUSIONES

4 Medio Activo Extracción Parcial Cavidad Resonante El Medio Activo es el condensado Bose – Einstein (nube térmica de átomos a temperaturas ultra- frias). 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) Evaporative cooling: Los átomos mas calientes son removidos de la muestra de átomos, reduciendo la energía promedio (temperatura). Bathtub. (nanoKelvin) INTRODUCCIÓN PARTES DE UN LASER DE ÁTOMOS PROCESO DE GANANCIA COHERENCIA LASER DE ÁTOMOS VS LÁSER ÓPTICO APLICACIONES CONCLUSIONES

5 Medio Activo Extracción Parcial Cavidad Resonante 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”. INTRODUCCIÓN PARTES DE UN LASER DE ÁTOMOS PROCESO DE GANANCIA COHERENCIA LASER DE ÁTOMOS VS LÁSER ÓPTICO APLICACIONES CONCLUSIONES

6 Proceso de Ganancia Extracción Parcial Cavidad Resonante 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. INTRODUCCIÓN PARTES DE UN LASER DE ÁTOMOS PROCESO DE GANANCIA COHERENCIA LASER DE ÁTOMOS VS LÁSER ÓPTICO APLICACIONES CONCLUSIONES

7 Emisión espontánea Dispersión elástica de los átomos Emisión estimulada 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. Cuando se alcanza el estado de BEC, 1 solo modo es el que emite, correspondiente al nivel mas bajo de energía @ nanokelvin. Saturación del laser Excitación del medio activo 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 APLICACIONES CONCLUSIONES

8 INTRODUCCIÓN PARTES DE UN LASER DE ÁTOMOS PROCESO DE GANANCIA COHERENCIA LASER DE ÁTOMOS VS LÁSER ÓPTICO APLICACIONES CONCLUSIONES En las gráficas se observa el patrón de interferencia de alto contraste que resulta al interferir dos ondas BEC. Resultados del patrón de Interferencia: Periodo=15 micrómetros BEC @ 5 nKelvin Periodo=0.04 nanómetros Átomos a temperatura ambiente

9 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 INTRODUCCIÓN PARTES DE UN LASER DE ÁTOMOS PROCESO DE GANANCIA COHERENCIA LASER DE ÁTOMOS VS LÁSER ÓPTICO APLICACIONES CONCLUSIONES

10 Fotones pueden ser creados, los átomos no. 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 PROCESO DE GANANCIA COHERENCIA LASER DE ÁTOMOS vs LÁSER ÓPTICO APLICACIONES CONCLUSIONES

11 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 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). INTRODUCCIÓN PARTES DE UN LASER DE ÁTOMOS PROCESO DE GANANCIA COHERENCIA LASER DE ÁTOMOS VS LÁSER ÓPTICO APLICACIONES CONCLUSIONES

12 La salida es un haz de átomos, o materia, la cual está sujeta a leyes físicas como la gravedad. Puede ser pulsado o continuo (este último ha sido concebido teóricamente el 16 de Mayo 2002, sin embargo no ha sido demostrado). 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. INTRODUCCIÓN PARTES DE UN LASER DE ÁTOMOS PROCESO DE GANANCIA COHERENCIA LASER DE ÁTOMOS VS LÁSER ÓPTICO APLICACIONES CONCLUSIONES

13 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 BIBLIOGRAFÍA