¿Qué pasa con la física del átomo frío?

Las partículas en el mundo microscópico tienen dualidad onda-partícula. La longitud de onda de la onda de Broglie (onda de materia) es λ = h/mv, que es inversamente proporcional al momento de la partícula. Debido a que la velocidad promedio de los átomos a temperatura ambiente alcanza varios cientos de metros por minuto, su longitud de onda de De Broglie es muy pequeña, alrededor de 10 a 12 metros. La mayoría de los átomos se encuentran en diferentes estados cuánticos y tienen longitudes de coherencia muy cortas, lo que dificulta la interferencia. La temperatura más baja de los átomos fríos puede alcanzar varios nanogramos, la velocidad promedio puede alcanzar varios centímetros por segundo, la longitud de onda de De Broglie es de aproximadamente 10 a 7 metros y la longitud de coherencia es muy larga, por lo que los fenómenos coherentes se pueden observar macroscópicamente. Cuando los átomos de metales alcalinos se enfrían masivamente al estado de energía más bajo para producir la condensación de Bose-Einstein, estos átomos de energía más baja producirán interferencia de ondas de materia. Esta es la primera vez que los humanos observan el fenómeno de interferencia de ondas de materia de partículas de materia.

Principales áreas de aplicación: Interferómetro atómico.

En la actualidad, la interferencia entre dos rayos láser se utiliza mucho en interferometría. Debido a que los fotones no se ven afectados en gran medida por la gravedad, es difícil medir la gravedad con precisión con láseres. Es obvio que los átomos se ven afectados por la gravedad, por lo que el interferómetro atómico puede medir eficazmente pequeños cambios en la gravedad y las ondas gravitacionales. Será un equipo esencial para la futura tecnología aeroespacial.

La colisión entre átomos es el factor principal en la ampliación de la amplitud de los niveles de energía atómica. Debido a la baja velocidad y la baja temperatura, la colisión entre átomos es mucho menor que la de los átomos calientes. Por lo tanto, el ancho del nivel de energía de los átomos fríos es mucho menor que el de los átomos calientes. Tienen una estructura de niveles de energía atómica y una estructura más precisa. El espectro de transición más estrecho, que es muy importante para la medición precisa de los niveles de energía atómica, y varias constantes son de gran importancia. Se han llevado a cabo investigaciones a nivel internacional sobre amplificadores láser de átomos fríos y se han obtenido líneas láser con un ancho de línea muy estrecho y buena monocromaticidad.

Propósito principal: reloj atómico frío

La precisión del reloj atómico depende de la precisión del nivel de energía atómica. Actualmente, los relojes atómicos utilizan principalmente las finas transiciones de niveles de energía de los átomos como estándar de frecuencia. Dado que la precisión del nivel de energía de los átomos fríos es mucho mejor que la de los átomos calientes, los relojes atómicos fríos producirán frecuencias más precisas, lo que mejorará en gran medida la precisión del tiempo humano y provocará cambios revolucionarios en los estándares de tiempo y distancia humanos. Será la tecnología central de los futuros sistemas de posicionamiento global y sistemas de posicionamiento espacial. Actualmente, el sistema de posicionamiento global Galileo de Europa planea adoptar gradualmente relojes atómicos fríos, y Estados Unidos también planea utilizar relojes atómicos fríos para mejorar en gran medida el rendimiento del sistema GPS. El desarrollo de relojes atómicos fríos tendrá una profunda importancia militar y científica.

Manipular átomos y moléculas a escala microscópica y cambiar la disposición y combinación de átomos y moléculas según los deseos humanos ha sido un viejo sueño de la humanidad. En la física de superficies, a la vanguardia de la física de la materia condensada, la microscopía de efecto túnel se puede utilizar para mover y controlar la posición de ciertos átomos, pero la captura de átomos y moléculas no se puede completar sin abandonar la superficie de la muestra. La tecnología de enfriamiento por láser compensa esta deficiencia. Por ejemplo, podemos usar láseres para capturar los átomos que necesitamos y luego usarlos para transportarlos a donde los necesitamos, de modo que puedan combinarse en nuevas moléculas o materia condensada. Incluso podremos utilizar láseres para capturar macromoléculas biológicas como el ADN y reemplazar algunos de sus átomos para mejorar los genes de animales o humanos. Esto conducirá a una gran revolución en la biología molecular.

Actualmente, científicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) de Alemania han iniciado un proyecto en el CERN, que consiste en capturar átomos de antihidrógeno mediante tecnología de enfriamiento por láser y estudiar sus similitudes y diferencias con los átomos de hidrógeno. El día en que este proyecto tenga éxito será el comienzo del control y utilización de la antimateria por parte de la humanidad.