domingo, 10 de mayo de 2015

Cómo construirse un sólido... ¡sin sólido!



Pues sí, amigos. En esta entrega de Bricomanía os enseñaremos cómo construiros vuestro propio sólido "de mentira", que será la envidia de vuestros amigos y vecinos. Los materiales y herramientas que vamos a necesitar son:
  • Unos fermiones que se muevan por el sólido. En un sólido de verdad usaríamos electrones. Pero los de Bilbao no nos andamos con minucias: los fermiones tienen que ser bien gordos. Núcleos de litio o de sodio estarían bien. Pero si tenéis algo de disprosio en casa, ¡echad disprosio!. Eso sí, es importante que tengáis los átomos un ratito antes en la nevera. La temperatura ideal es la del típico helado de Bilbao, que no supere la decena de nanokelvin.
  • Un potencial periódico que cree la red cristalina. En un sólido real, el potencial lo generan los iones del material. Pero a nosotros nos gustan más los láseres. Así que preparad vuestros mejores láseres, y unos cuantos espejos.
¿Ya lo tenéis todo listo? Pues comenzamos. Solo tenéis que enfocar un láser contra un espejo. La interferencia entre el haz incidente y el reflejado crea una onda estacionaria: el campo eléctrico y magnético oscilan a lo largo del espacio, pero están congelados en el tiempo. Para hacer sólidos bidimensionales o tridimensionales, necesitaréis colocar láseres en varias direcciones y con distintas intensidades. Con un poco de ingenio, podréis consguir figuras realmente divertidas.
Redes bidimensionales que se pueden crear con tres láseres. [2]
Los átomos ultrafríos se quedan atrapados en la red óptica creada por los láseres. Esto es así porque el momento dipolar eléctrico inducido de los átomos interacciona con el campo eléctrico de las ondas estacionarias, quedando atrapados en los mínimos de potencial. Los átomos pueden moverse de unos sitios a otros por efecto túnel, e interaccionar entre sí. 
Átomos atrapados en la red óptica [1]
 Si habéis seguido estos sencillos pasos, ¡enhorabuena, ya tenéis vuestro propio sólido personalizado!

¿Y esto para qué sirve? Las trampas ópticas de átomos ultrafríos son un ejemplo de simulación cuántica. La simulación cuántica, propuesta por el bueno de Feynman, sirve para reproducir sistemas cuánticos interesantes mediante otros sistemas cuyas propiedades podamos controlar con mucha precisión. Esto sirve, por ejemplo, para poder evaluar los fenómenos que ocurren en algunos sólidos apagando las interacciones que nos estorben, para explorar parámetros que no son accesibles experimentalmente, o incluso para probar los modelos surgidos de la calenturienta imaginación de los físicos teóricos.

Algunos de los resultados obtenidos en los últimos años son la observación de transiciones de fase (entre estados metálicos, aislantes de Mott, antiferromagnéticos,...), y la simulación de materiales similares al grafeno, en los que se pueden modificar sus puntos de Dirac (regiones de la estructura de bandas que le confieren al grafeno sus curiosas propiedades).
Observación de los puntos de Dirac mediantes oscilaciones de Bloch en átomos ultrafríos. [2]
En España, se está construyendo un laboratorio de átomos ultrafríos en redes ópticas en el instiuto de ciencias fotónicas (ICFO) de Barcelona, con un grupo de investigación liderado por Leticia Taurrell.
Montaje del sistema de láseres en ICFO. [3]


Para saber más

[1] Immanuel Bloch: Ultracold quantum gases in optical lattices. Nature Physycs 1, 23-30 (2005)