Miden el estado vinculante de la luz y la materia por primera vez
Usando la luz, los átomos pueden polarizarse para atraerse unos a otros. Un equipo de TU Wien y la Universidad de Innsbruck pudo medir este estado vinculante de luz y materia por primera vez.
Esto hace que se atraigan entre sí creando un estado de enlace muy especial, mucho más débil que el enlace entre dos átomos en una molécula ordinaria, pero aún medible. La atracción proviene de los propios átomos polarizados, pero es el rayo láser el que les da la capacidad de hacerlo; en cierto sentido, es una "molécula" de luz y materia.
Teóricamente, este efecto ha sido predicho durante mucho tiempo, pero ahora los científicos del Centro de Viena para la Ciencia y Tecnología Cuántica (VCQ) en TU Wien, en cooperación con la Universidad de Innsbruck, han logrado medir este exótico enlace atómico por primera vez. Esta interacción es útil para manipular átomos extremadamente fríos, y el efecto también podría desempeñar un papel en la formación de moléculas en el espacio. Los resultados ahora se han publicado en la revista científica Physical Review X.
En un átomo eléctricamente neutro, un núcleo atómico cargado positivamente está rodeado por electrones cargados negativamente, que rodean el núcleo atómico como una nube. "Si ahora enciende un campo eléctrico externo, esta distribución de carga cambia un poco", explica en un comunicado el profesor Philipp Haslinger, autor de la investigación. "La carga positiva se desplaza ligeramente en una dirección, la carga negativa ligeramente en la otra dirección, el átomo de repente tiene un lado positivo y otro negativo, está polarizado".
La luz es solo un campo electromagnético que cambia muy rápidamente, por lo que también es posible crear este efecto de polarización con luz láser. Cuando varios átomos están uno al lado del otro, la luz láser los polariza a todos exactamente de la misma manera: positivo a la izquierda y negativo a la derecha, o viceversa. En ambos casos, dos átomos vecinos giran cargas diferentes entre sí, lo que genera una fuerza de atracción.
"Esta es una fuerza de atracción muy débil, por lo que debe realizar el experimento con mucho cuidado para poder medirla", dice Mira Maiwöger de TU Wien, el primer autor de la publicación. "Si los átomos tienen mucha energía y se mueven rápidamente, la fuerza de atracción desaparece inmediatamente. Por eso se utilizó una nube de átomos ultrafríos".
Los átomos son primero capturados y enfriados en una trampa magnética en un chip atómico, una técnica que fue desarrollada en el Atominstitut en el grupo del profesor Jörg Schmiedmayer. Luego se apaga la trampa y se liberan los átomos en caída libre. La nube de átomos es "ultrafría" a menos de una millonésima de Kelvin, pero tiene suficiente energía para expandirse durante la caída. Sin embargo, si los átomos se polarizan con un rayo láser durante esta fase y, por lo tanto, se crea una fuerza de atracción entre ellos, esta expansión de la nube atómica se ralentiza, y así es como se mide la fuerza de atracción.
"Polarizar átomos individuales con rayos láser no es básicamente nada nuevo", dice Matthias Sonnleitner, quien sentó las bases teóricas del experimento. "Sin embargo, lo crucial de nuestro experimento es que hemos tenido éxito por primera vez en polarizar varios átomos juntos de forma controlada, creando una fuerza de atracción medible entre ellos".
Esta fuerza de atracción es una herramienta complementaria para controlar los átomos fríos. Pero también podría ser importante en astrofísica: "En la inmensidad del espacio, las pequeñas fuerzas pueden desempeñar un papel importante", dice Philipp Haslinger. "Aquí pudimos demostrar por primera vez que la radiación electromagnética puede generar una fuerza entre los átomos, lo que puede ayudar a arrojar nueva luz sobre escenarios astrofísicos que aún no se han explicado".
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