Siga a ese átomo
Un equipo de investigación argentino logró medir por primera vez la velocidad de un solo átomo cuando es impactado por un haz láser estructurado en forma de vórtice, en un experimento que demuestra nuevas propiedades del efecto Doppler rotacional.
¿Cómo medir la velocidad de un solo átomo? ¿Se puede, en el mismo acto, medirlo y moverlo? ¿Y se podría, empujándolo de frente, moverlo de costado? Son algunas de las preguntas que empezó a responder un grupo de investigadores e investigadoras del Laboratorio de Iones y Átomos Fríos (LIAF) del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, que lograron medir por primera vez la velocidad de un solo átomo cuando es impactado por un haz láser estructurado en forma de vórtice. El notable trabajo fue publicado en Physical Review Letters y mereció un comentario de la prestigiosa revista Physics.
“Se trata de la primera publicación en una revista de alto impacto, con resultados de gran relevancia científica, originales; enteramente concebida y realizada en el LIAF”, sostiene Christian Schmiegelow, jefe del laboratorio y quien lideró el trabajo cuyo primer autor es Nicolás Nuñez Barreto y del que también participaron Muriel Bonetto, Cecilia Cormick y Marcelo Luda.
El experimento es el corolario de trabajos previos que ya habían marcado los primeros hitos del LIAF. Básicamente, lo que investiga es el llamado “efecto Doppler rotacional” utilizando un único ion, atrapado y excitado por dos láseres en forma de vórtice que se propagan en simultáneo.
Es la primera publicación en una revista de alto impacto, con resultados de gran relevancia científica, enteramente concebida y realizada en el LIAF.
Por supuesto, antes de encarar este experimento, hace ya un lustro, en 2019, en el LIAF habían logrado atrapar un único ion, una verdadera proeza para la física experimental argentina y pionera en América Latina.
El efecto Doppler es el cambio de frecuencia aparente de una onda cuando la fuente que la produce se acerca o se aleja del observador. El ejemplo canónico es el sonido de la sirena de una ambulancia: es cada vez más agudo cuando se acerca y más grave al alejarse. Ahora bien, las técnicas de enfriado láser usan precisamente el efecto Doppler tanto para atrapar átomos como para medir su temperatura.
Christian Schmiegelow. Foto: Franco Meconi.
“Esa cualidad de propagarse en una dirección y de ser al mismo tiempo una onda y una partícula –explica Schmiegelow– es la que le permite a la luz hacer este proceso de enfriado y también el proceso de sensado de la temperatura”.
Hablamos hasta aquí de ondas que se desplazan en una misma dirección. Pero si la ambulancia se moviera en círculos alrededor del observador, en dirección siempre perpendicular a su mirada, un radar no detectaría variaciones en la longitud de onda. Se llama, entonces, efecto Doppler rotacional al que es sensible al movimiento de un objeto que se desplaza en sentido transversal al haz de luz que lo mide.
“Hacia fines de los 80 –continúa Schmiegelow– se postuló que, además de poder empujar cosas en la dirección en la que se mueve, la luz también puede ‘torcer’ cosas. Si vos tenés una luz especial, que en vez de ir regularmente hacia adelante, de modo plano y uniforme, avanza como un remolino, en espiral, puede torcer cosas. Tiempo después se probó que si la luz avanza en espiral, esa rotación en principio puede impartir momento angular o torque, o sea, rotar objetos”.
Si el fotón llega en forma de vórtice, puede pegarle al átomo una patada no solo en la dirección en la que viene avanzando, sino también en la que viene girando.
Y aquí entra en juego ese haz láser estructurado en forma de vórtice o remolino, diseñado para que la luz no avance de forma lineal, sino con los fotones girando en círculos alrededor de un eje principal. Es esa estructura, que no pega de manera uniforme, la que permite sensar la velocidad de un objeto que se mueve en forma perpendicular o transversal. En el caso de este experimento, un objeto muy pequeño, un solo átomo, algo que nunca se había hecho.
Schmiegelow describe el primer y sencillo experimento que demostró cómo, iluminadas por haces de luz que rotaban, pequeñas partículas en suspensión también podían ser obligadas a rotar. Pero, claro, un átomo es muchísimo más pequeño.
“Cien mil veces más chico que aquellas partículas y, por supuesto, muchísimo más pequeño que el haz estructurado. Si quiero mover así un átomo, del tamaño de una diezmilésima de micrón, cualquier estructura de luz es muchísimo más grande que aquello que quiero que mueva. Es como tener una personita en medio de un tornado –grafica el jefe del LIAF–. Entonces, había quien decía: el átomo es tan chiquito que, en medio del tornado, lo vas a poner a revolotear, pero no va a ‘sentir’ el tornado, es decir, la rotación”.
Nicolás Nuñez Barreto Fotografía: Luiza Cavalcante.
Un par de años atrás, en un experimento que hizo para un posdoctorado en la Universidad de Mainz, Schmiegelow demostró por primera vez que un átomo puede efectivamente ‘sentir el tornado’, y que se le puede impartir movimiento rotacional con este tipo de haces.
Y una década atrás, el físico teórico inglés Michael Berry ya había postulado ese efecto, con un agregado: bien cerca del centro de un haz de luz estructurado, el átomo recibiría una “patada” mucho más fuerte “de costado” que “de frente”.
“Imaginemos ahora no un tornado, sino un torbellino de agua –propone Schmiegelow–. Nosotros somos ese átomo, podemos sentir la rotación, pero no que nos succiona hacia adentro, y cuando nos vamos acercando al centro, rotamos cada vez más y más rápido, hasta que el remolino colapsa. Lo que nos preguntábamos, a partir de experimentos anteriores, era si este efecto se volvía infinitamente fuerte a medida que nos acercábamos al centro del vórtice. La respuesta que obtuvimos es que sí, efectivamente es así. Pudimos ver que esa divergencia existe y pudimos medirla”.
El investigador busca otro ejemplo, y explica: “Vos sos el átomo, un astronauta que está en el espacio, flotando. Si yo, desde el planeta Tierra o desde una nave espacial te tiro una pelota, un fotón, vos vas a atrapar la pelota y te vas a ir para atrás. Ahora, qué pasa si yo te tiro la pelota con chanfle. Cuando la pelota llegue, vos vas a sostenerla, la pelota va a dejar de rotar con respecto a vos, pero vos y la pelota van a empezar a rotar. En una pelota no hay ninguna relación entre la velocidad a la que avanza y la velocidad del giro: vos podés mandar una pelota que avanza muy lentamente pero girando a toda velocidad de modo tal que cuando te llegue, el efecto de rotación que imprima al astronauta será mucho mayor respecto del efecto que lo haga retroceder”.
Al arrojar luz sobre una propiedad clave del efecto Doppler rotacional, el trabajo abre la puerta a nuevos estudios.
Es decir que si el fotón llega en forma de vórtice, puede pegarle al átomo una patada no solo en la dirección en la que viene avanzando, sino también en la que viene girando, transversal a la dirección de propagación, y esa patada es aún más fuerte que la otra.
Nicolás Nuñez Barreto, primer autor del trabajo, cuenta cómo nació este experimento que se convertiría en su tesis doctoral. En 2018, desde Alemania llegó la “trampa” donde atraparon al ion. Siguió luego una minuciosa puesta a punto de la técnica de capturar y enfriar átomos solitarios. Y en 2020, la pandemia. “Ya teníamos iones atrapados, los láseres dispuestos en la mesa óptica, y eso ya había sido un logro importante, pero todavía no habíamos hecho ningún experimento original. Y el aislamiento nos obligó a estar varios meses encerrados, haciendo teoría. Pero en esas simulaciones vimos que aparecían cosas nuevas”.
Y en el regreso al laboratorio, las especulaciones se confirmaron. “Había surgido la idea de aplicar estos haces estructurados al estudio del efecto Doppler rotacional en un solo átomo, algo que hasta ahora no se había hecho. Ya había sido caracterizado el efecto sobre muchos átomos en celdas grandes, pero nunca nadie había podido atrapar y situar un átomo en distintas partes del haz, y así estudiar el fenómeno de manera más localizada, y medirlo directamente. Y las simulaciones se corroboraron en el experimento, casi idealmente: vimos cómo cerca del centro del haz el efecto de la patada tendía a ser infinito, y cómo al alejarse del centro tendía a anularse”.
Al arrojar luz sobre una propiedad clave del efecto Doppler rotacional, el trabajo abre la puerta a nuevos estudios para la detección y aún la manipulación de ese movimiento transversal a la dirección de propagación de las ondas.
Lo que sigue, anuncia Schmiegelow, es optimizar la precisión en la localización del átomo, “confinarlo más”, para poder medir mejor cuánto más grande es ese efecto en el eje del vórtice.
