Campos magnéticos sintéticos

Cinvestav en su tinta
Oscar Rosas-Ortiz*
Campos
magnéticos
sintéticos
Oscar Rosas-Ortiz*
*Investigador del Departamento de Física del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados
(Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional ( IPN ). Editor de la presente columna.
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2009-2010
U
n condensado de Bose-Eisntein (cbe) es un estado cuántico muy especial; se manifiesta
en gases extremadamente diluidos, enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto (aprox. -273oC) y confinados por la acción de un potencial externo. Estos gases
están compuestos por partículas conocidas como bosones y se les usa como modelo de
materia condensada en el estudio de las manifestaciones macroscópicas de los sistemas cuánticos de muchos cuerpos (como la superconductividad, por ejemplo). Sin embargo, los cbe son
eléctricamente neutros y muchos de los fenómenos más importantes ocurren para partículas
cargadas en presencia de campos magnéticos. Aunque es posible imitar el efecto del campo
magnético en una nube de átomos neutros, bastará con hacer rotar a la nube, los campos que
se obtienen de esta forma resultan poco intensos en magnitud (entre otras limitantes). Recientemente, un equipo de investigadores del Joint Quantum Institute del nist (Universidad
de Colorado, Estados Unidos) y del Departamento de Física del Centro de Investigación y de
Estudios Avanzados (Cinvestav), del Instituto Politécnico Nacional (ipn) reportaron un método óptico para sintetizar campos magnéticos en átomos neutros ultra-fríos que no tiene las
limitantes del método rotacional. Entre las ventajas se tiene que este nuevo método permite
obtener campos magnéticos muy intensos.
Un cuerpo negro es la idealización de un sistema que absorbe toda la radiación electromagnética (luz visible, ondas de radio, rayos X, etcétera) que incide sobre él. En
particular, como no hay luz visible que se refleje o se transmita por el sistema, este
se tornará de color negro a temperaturas muy bajas. Sin embargo, dependiendo de la
temperatura, el cuerpo negro emitirá un espectro de radiación térmica conocida como
radiación (o espectro) del cuerpo negro. Este simple modelo resultó ser parte del talón de
Aquiles de la Física Newtoniana y el nicho apropiado para el surgimiento de la Física
Cuántica a principios del siglo xx. La primera descripción acertada del fenómeno fue
proporcionada por Max Planck, pagando el precio de cuantizar la forma en que la radiación electromagnética interactúa con la materia. Es decir, para Planck la luz se absorbe
o se emite por la materia sólo en pequeñas porciones de energía llamados cuantos. Un
poco después, Albert Einstein afinaría la interpretación de Planck proponiendo que la
radiación en sí misma está compuesta por partículas.
En 1924 Satyendra Nath Bose, un físico Indio especializado en Física-Matemática,
obtuvo una derivación del espectro del cuerpo negro usando argumentos puramente
estadísticos. En su modelo, la radiación del cuerpo negro se describe como un gas de
partículas (cuantos de luz) que no interactúan entre sí. Ante la negativa de algunas revistas científicas para publicar sus resultados, Bose compensó su frustración escribiéndole
una carta al ya entonces famoso Einstein para conocer su opinión. Einstein no sólo se
interesó en el reporte de Bose sino que él mismo se dio a la tarea de traducirlo al alemán
para enviarlo, con su recomendación, a la revista Zeitschrift für Physik. Un poco después
(1924-25), Einstein extendió las ideas de Bose al caso de un gas de átomos sin interacción
entre ellos. Como resultado se obtuvo el nacimiento de la Estadística de Bose-Einstein.
A las partículas que obedecen esta estadística (por ejemplo los cuantos de luz) se les
conoce como bosones. Con sus resultados, Einstein notó un comportamiento singular
en la forma en la que los átomos se distribuyen con respecto a las energías cuantizadas
del gas que estaba estudiando. A temperaturas muy bajas (pero finitas) hay una gran
cantidad de átomos que gustan de estar en el estado de energía más baja posible. Como
resultado, el gas se separa en una parte condensada y otra que se mantiene como un gas
ideal (es decir, como un gas en la descripción clásica). Las partículas que pertenecen a
la parte condensada, de origen puramente cuántico, comparten propiedades que les
permiten manifestarse como un solo sistema macroscópico. Así, un cbe es un sistema
que exhibe un comportamiento cuántico a escala macroscópica, lo que justifica la importancia de su estudio en la Física contemporánea. Después de más de una década de
espera, a finales de los años treinta, Fritz London y Laszlo Tisza proponen que la superIPN
Donde la ciencia se convierte en cultura
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fluidez del helio 4 líquido involucra un mecanismo de condensación a la Bose-Einstein.
La superfluidez es un estado de la materia donde la viscosidad es estrictamente cero.
Un superfluido es una sustancia que fluye sin fricción, así que en un circuito cerrado el
superfluido circularía eternamente. 60 años después, en 1995, Eric Cornell y Carl Wieman generaron un cbe usando átomos de rubidio enfriados a 170 nano-Kelvins (aprox.
-130ºC) en sus laboratorios del nist-jila, en la Universidad de Colorado. Por sus resultados estos investigadores fueron galardonados, junto con Wolfgang Ketterle del mit, con
el Premio Nóbel de Física 2001.
Sin embargo, los átomos son eléctricamente neutros y los cbe correspondientes también. Esta situación imposibilita el uso de cbe como modelo de materia condensada
cargada en el estudio de su interacción con, digamos, un campo magnético. En Física
sabemos que los campos magnéticos están íntimamente relacionados con el movimiento rotacional de las partículas cargadas. En los cursos introductorios es común pedir
a los estudiantes que demuestren que un electrón (carga negativa) desplazándose en
presencia de un campo magnético uniforme rotará alrededor del eje del campo. Esta
idea ha permitido sintetizar campos magnéticos en nubes neutras de átomos al inducir
rotaciones en las nubes. Sin embargo, el proceso es limitado ya que la intensidad del
campo que se obtiene es proporcional a la rapidez de giro de las nubes. A mayor rapidez mayor intensidad, pero también a mayor rapidez los átomos se alejan unos de otros
y la nube se diluye. Por otro lado, el recipiente que contiene al gas incluye limitantes adicionales ya que las dimensiones y la geometría de éste influyen en la rapidez que puede
llegar a alcanzar el gas y, por consiguiente, en la intensidad del campo generado. En la
página 628 del volumen 462 de la revista Nature (3 de Diciembre de 2009), el equipo integrado por Y.J. Lin, R.L. Compton, K. Jímenez-García, J.V. Porto e I.B. Spielman enfrentan este problema en los laboratorios del nist-jqi. Estos autores reportan un mecanismo
sencillo y elegante para crear campos magnéticos sintéticos en un sistema atómico neutro y ultra frío. En un modelo simplista podemos decir que su cbe presenta pequeños
remolinos que corresponden a vórtices cuantizados del flujo de campo magnético. Con
un par de láseres, estos investigadores generan un campo vectorial uniforme en su
cbe. Después, ajustan espacialmente los láseres para producir un remolino en el campo
vectorial de forma tal que los átomos que están en extremos opuestos de la nube experimentan diferentes interacciones con el campo. Esta diferencia induce rotaciones en
los átomos que imitan el comportamiento de los electrones arriba descritos. Es decir, se
ha logrado implementar un campo magnético sintético que actúa sobre cbe neutros. Para
que el lector pueda hacerse un esquema simplista de la situación puede pensar en un
rio y una margarita que flota en él. La irregularidad del lecho del rio (hoyos, piedras,
etcétera) produce remolinos en el flujo de agua de tal suerte que la margarita no solo
gira sobre su propio eje sino que puede quedar rotando por algún tiempo alrededor
del vórtice de un remolino. Lo que cambia a lo largo del rio es la dirección local de la
corriente aunque globalmente el agua siempre se desplace rio abajo. En nuestro modelo, el rio representa al campo vectorial generado por los láseres y la irregularidad del
lecho del rio es lo que se produce al ajustarlos espacialmente. La margarita es entonces
el equivalente al átomo que gira alrededor de los vórtices de los remolinos que son, a su
vez, equivalentes a los vórtices cuantizados del flujo del campo magnético.
Los resultados de Lin y colaboradores son muy estimulantes porque se vislumbra el
inicio de una nueva rama de investigación en el área de los gases atómicos ultra fríos.
Sus aplicaciones podrían incluir nuevas técnicas de medición en superfluidos compuestos de átomos ultra fríos y en sistemas superconductores, entre otros. Sus resultados
incluyen campos suficientemente intensos como para ser aplicados en información y
cómputo cuánticos por medio del efecto Hall cuántico.
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