Trampa magnética (átomos)

En física experimental , una trampa magnética es un aparato que utiliza un gradiente de campo magnético para atrapar partículas neutras con momentos magnéticos . Si bien estas trampas se han empleado para diversos fines en la investigación física, son más conocidas como la última etapa en el enfriamiento de átomos para lograr la condensación de Bose-Einstein . La trampa magnética (como método para atrapar átomos muy fríos) fue propuesta por primera vez por David E. Pritchard .

Muchos átomos tienen un momento magnético; su energía cambia en un campo magnético según la fórmula

${\displaystyle \Delta E=-{\vec {\mu }}\cdot {\vec {B}}}$.

Según los principios de la mecánica cuántica, el momento magnético de un átomo se cuantiza ; es decir, adopta uno de ciertos valores discretos. Si el átomo se coloca en un campo magnético intenso, su momento magnético se alinea con dicho campo. Si varios átomos se colocan en el mismo campo, se distribuirán entre los distintos valores permitidos del número cuántico magnético para ese átomo.

Si se superpone un gradiente de campo magnético a un campo uniforme, los átomos cuyos momentos magnéticos estén alineados con el campo tendrán menor energía en zonas de mayor intensidad. Al igual que una bola que rueda cuesta abajo, estos átomos tenderán a ubicarse en zonas con campos más intensos y se conocen como átomos "de alta atracción". Por el contrario, los átomos con momentos magnéticos alineados en dirección opuesta al campo tendrán mayor energía en zonas de mayor intensidad, tenderán a ubicarse en zonas con campos más intensos y se denominan átomos "de baja atracción".

Es imposible generar un máximo local de la magnitud del campo magnético en el espacio libre; sin embargo, se puede generar un mínimo local. Este mínimo puede atrapar átomos que buscan campos bajos si no poseen suficiente energía cinética para escapar de él. Por lo general, las trampas magnéticas presentan mínimos de campo relativamente poco profundos y solo pueden atrapar átomos cuyas energías cinéticas corresponden a temperaturas de una fracción de kelvin . Los mínimos de campo necesarios para el atrapamiento magnético pueden generarse de diversas maneras, como mediante trampas de imanes permanentes, trampas de configuración Ioffe, trampas QUIC, entre otras.

La magnitud mínima del campo magnético se puede lograr con el "microchip atómico". ^{[ 1 ]} Una de las primeras trampas atómicas de microchip se muestra a la derecha. El conductor en forma de Z (en realidad, la tira dorada en forma de Z pintada sobre la superficie de Si) se coloca en el campo magnético uniforme (la fuente del campo no se muestra en la figura). Solo se atraparon átomos con energía de campo de espín positiva. Para evitar la mezcla de estados de espín, el campo magnético externo se inclinó en el plano del chip, proporcionando la rotación adiabática del espín en el movimiento del átomo. En primera aproximación, la magnitud (pero no la orientación) del campo magnético es responsable de la energía efectiva del átomo atrapado. El chip mostrado es de 2  cm x 2  cm; este tamaño se eligió para facilitar la fabricación. En principio, el tamaño de tales trampas de microchip se puede reducir drásticamente. Se puede fabricar una matriz de tales trampas con métodos litográficos convencionales ; dicha matriz se considera un prototipo de una celda de memoria de cúbit para la computadora cuántica . Se están desarrollando métodos para transferir átomos y/o cúbits entre trampas; se asume el control óptico adiabático (con frecuencias fuera de resonancia) y/o el control eléctrico (con electrodos adicionales).

La condensación de Bose-Einstein (BEC) requiere condiciones de muy baja densidad y muy baja temperatura en un gas de átomos. El enfriamiento láser en una trampa magnetoóptica (MOT) se utiliza habitualmente para enfriar los átomos hasta el rango de microkelvin. Sin embargo, el enfriamiento láser está limitado por el retroceso de momento que recibe un átomo de fotones individuales. Lograr la BEC requiere enfriar los átomos más allá de los límites del enfriamiento láser, lo que implica apagar los láseres utilizados en la MOT y diseñar un nuevo método de atrapamiento. Se han utilizado trampas magnéticas para retener átomos muy fríos, mientras que el enfriamiento evaporativo ha reducido la temperatura de los átomos lo suficiente como para alcanzar la BEC.

• Pritchard, David E. (1983). "Enfriamiento de átomos neutros en una trampa magnética para espectroscopia de precisión". Physical Review Letters . 51 (15): 1336– 1339. Bibcode : 1983PhRvL..51.1336P . doi : 10.1103/PhysRevLett.51.1336 .
• Anderson, MH; Ensher, JR; Matthews, MR; Wieman, CE; Cornell, EA (1995). "Observación de la condensación de Bose-Einstein en un vapor atómico diluido" . Science . 269 (5221): 198– 201. Bibcode : 1995Sci...269..198A . doi : 10.1126/science.269.5221.198 . PMID 17789847 . 

• Grupos de investigación que trabajan con trampas atómicas