Enfriamiento por láser

Publicado el Martes, 9 de noviembre de 2010 por MiGUi en Física
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Cuando uno piensa en un potente láser se le vienen a la mente experimentos como por ejemplo, el National Ignition Facility donde unos aparatos gigantescos proyectan haces de láser sobre un punto y desencadenan la fusión nuclear.

Y sin ser tan prosaicos, recurriendo a la imagen peliculera, solemos ver el  láser asociado a las altas temperaturas: ya sean esos potentes haces que amenazan con partir a James Bond por la mitad o las espadas de luz que cercenan miembros como si fueran mantequilla.

No en vano, el láser es una radiación luminosa que gracias a sus propiedades es fácil emplearla para estos propósitos.

Sin embargo es posible emplearla para justo lo contrario: enfriar. Algo que a priori puede parecer sorprendente, pero no lo es tanto y papers como Laser-Cooling of Liquid Water by the Ar-Xe Laser Radiation“, Arxiv, 2 Nov 2010. demuestran que la experimentación en este sentido no es algo fuera de lo común.

¿Cómo enfría un láser?

Existen varias técnicas para esto. La básica de todas ellas es el llamado enfriamiento Doppler.

En esta técnica lo que se hace es ajustar la frecuencia del láser a una frecuencia un poco por debajo de la necesaria para provocar una transición electrónica (esto es, para darle a un electrón del átomo la energía necesaria para ir a un nivel superior de energía, recordemos que en los átomos los electrones no pueden tener cualquier valor de la energía, solo los llamados niveles atómicos).

Si los átomos se mueven hacia la fuente luminosa, tenderán a absorber más fotones debido al efecto Doppler ya que el átomo “ve” esa luz con la frecuencia apropiada para provocar la excitación. Si se moviera en dirección contraria, la frecuencia no sería la justa para hacer esto y la luz no le afectaría.

Por simplificarlo y verlo como un símil, si vemos el proceso como si se tratara de un impacto (ya que tanto los átomos como -obviamente- los fotones se mueven) en tal caso el fotón “impacta” contra el átomo y por conservación de la cantidad de movimiento el átomo, al absorber ese fotón, habrá sido ligeramente “empujado” por el fotón hacia una dirección aleatoria ya que el fotón porta una cierta cantidad de movimiento.

Lo que ocurre netamente es que el átomo ha visto su velocidad media frenada debido a ese fotón.

Si trasladamos este comportamiento a todo el colectivo de partículas (a todos los átomos) y tenemos una cantidad lo suficientemente grande, entonces el valor medio de la velocidad está directamente relacionado con la distribución de temperaturas del gas.

Al haber disminuido la velocidad media, el resultado macroscópico es que el gas ahora está más frío que antes.

El enfriamiento Doppler tiene un límite. Mejor dicho, tiene varios ¿Cuales? Pues por ejemplo, el efecto de la emisión espontánea produce un efecto contrario al deseado: aumenta la velocidad. Esto establece un límite bajo el cual ya no se puede enfriar más la muestra.

La temperatura límite se llama “temperatura Doppler“. Es directamente proporcional a la diferencia de frecuencias entre los niveles entre los que se lleva a cabo la transición electrónica. Las otras técnicas suelen estar basadas en el enfriamiento Doppler pero pretendiendo mejorarlo, evitando las limitaciones de dicho enfriamiento. Por ejemplo, técnicas que utilizan la polarización de la luz láser como puede ser el scattering Raman. En el artículo sobre el enfriamiento láser en la Wikipedia vienen detallados otros métodos.

En el paper que comentaba al principio lo que hacen es enfriar una muestra de agua con un láser de Argon y Xenon. Estos láseres trabajan en la banda del infrarrojo cercano.

En este experimento se utilizaron tres longitudes de onda concretas, \lambda_1 = 1.73 \mu m, \lambda_2 = 2.63 \mu m and \lambda_3 = 2.65 \mu m.

La \lambda_1 es una de las longitudes de onda más transparentes de la atmósfera terrestre. Por contra, \lambda_2 y \lambda_3 coinciden con una banda de absorción muy intensa del vapor de agua.

El equipo tenía especial interés en hacer el experimento para comprobar la interacción entre la radiación láser y el agua líquida porque además de ser el líquido más común en la Tierra tiene unas propiedades físicas muy interesantes, como relatan en el paper.

En el experimento con el láser Ar-Xe se dispuso una muestra de agua destilada y desionizada en una cavidad de cristal de 15 mm de alto por 100 mm de diámetro (6). El haz láser es enfocado por el espejo (5) que tiene una distancia focal de 15 cm e incide perpendicularmente a la superficie del agua. El punto de enfoque está dentro del líquido. Esta geometría previene efectos no deseables como grandes flujos térmicos debido a la irrupción del haz láser en la superficie del agua, también previene la evaporación, etcétera. Para estabilizar la temperatura se introdujo todo el aparato óptico en el interior de una caja de madera y se mantuvo a temperatura constante durante 12 horas antes de comenzar el experimento. Las medidas de temperatura se tomaron con un termopar, que no se muestra en la figura.

Con este esquema, consiguieron bajar la temperatura del agua 2.2K durante 6000 segundos. Puede parecer un enfriamiento pequeño, sin embargo las conclusiones son muy interesantes. Pero no os las voy a contar, leedlas al final del paper. :P

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Trackbacks/Pingbacks a esta entrada:
  1. Dani dice:

    Muy bueno, Migui.

    Desconocía totalmente el uso de láser para enfriar. De hecho, a priori me parece sumamente extraño. Pero lo has explicado perfectamente. Y muy bueno también el paper, cortito, y clarito…hasta un químico lo puede entender. :-P

  2. Minkiu dice:

    Interesante, como bien dices nunca lo pensaría que se pudiese :D

    Una pregunta, cuando hablas de freqüencias estas usando el símbolo lambda, yo me pregunto, lambda no es la longitud de onda? lambda = 1/ Freq. ?

  3. Domingo dice:

    Dicen que no te vas a dormir sin saber una cosa que no sabias, y es verdad.
    Muy muy interesante.
    Espero no equivocarme; una vez ley que para tomar imágenes de los átomos se hacían enfriar casi a cero absoluto, se usa la misma técnica.

    • Ontureño dice:

      Hombre, no sé lo que leíste, pero son cosas diferentes. Para observar átomos es preciso enfriar simplemente porque si están calientes se mueven muy rápido y no se dejan echar la foto los jodíos xD. Hasta donde yo sé, en teste tipo de experimentos se enfría mediante Nitrógeno y Helio en estado líquido (este último sólo está a algunos Kelvin).

  4. Ontureño dice:

    Buenas, me encanta aprender cosas nuevas. No tenía ni idea de esto, Y POR TU CULPA HE PERDIDO UN BUEN RATO TIRANDO DE GOOGLE PA EXPANDER CONOCIMIENTOS. ¡Ya te vale!

    Peeero, por supuesto tengo críticas xD. Había algo que no me encajaba, y he estado tirando de la wiki para aclararlo. Dices «al absorber ese fotón, habrá sido ligeramente “empujado” por el fotón hacia una dirección aleatoria». Y no, eso chirría. Es empujado en una dirección clarísima, que está impuesta por conservación del momento. Lo que es aleatorio, ¡y es la clave del meollo! es la dirección en que se reemite. Esto es importante, porque así, sólo estadísticamente, la velocidad se reduce (habrá veces en que se reemita en la misma dirección en que venía y no habrá reducción neta de la velocidad, pero en promedio sí funciona la cosa porque la dirección del haz incidente rompe la simetría de emisión/absorción).

    PD: Suscripción a comentarios YA¡ :p