dissabte, 22 de març de 2008

Refredant

Dijous va arribar la primavera i avui ens informaven que el fred havia tornat a colpir el país. A la zona on visc, demà, es podrà assolir una temperatura mínima propera als 0 ºC. Per alguns és una temperatura força baixa però pot ser més baixa?

L'Antàrtida és una possible resposta, allí hi fa molt més fred. Des que s'hi enregistren temperatues la mínima es va prendre el 21 de juliol de 1983 a la Base Vostok. En aquelles condicions tenir un termometre de mercuri és com no tenir-ne cap. El mercuri es solidifica aproximadament als -40 ºC. La temperatura mínima va ser de -89,2 ºC.

Però això ens desperta una altra pregunta, hi ha coses més fredes? La resposta és que sí. Cada cop s'aconsegueix apropar-se més i més al zero absolut.

Com que últimament he estat parlant dels làsers ara comentaré el que s'anomena en anglès laser cooling és a dir refredament làser.

Com que als humans ens agrada preguntar la primera pregunta que ens fem és: Però els raigs làser no escalfen enlloc de refredar?

Quan entrem en contacte amb un raig de llum ens escalfa perquè absorvim la llum i es transforma en calor. Però en el refredament amb làser es treballa a nivell atòmic.

Per començar hem de tenir clar que la llum làser la podem veure com un feix de fotons i que la temperatura té a veure amb l'energia de cada partícula. Si es bombardeja un àtom amb fotons aquests últims "reboten" i modifiquen imperceptiblement la trajectòria de l'àtom. Per fer més significant l'empenta només cal augmentar el nombre de fotons.

Però clar, rebotar és un concepte que tenim nosaltres, a nivell atòmic el que passa és que un electró absorbeix un fotó i salta a un nivell energètic superior. Llavors, torna a saltar un altre cop cap al nivell inferior i allibera un altre fotó. Pel que es veu pot semblar que estem igual que al principi; el que ha passat és que els fotons que incideixen sobre l'àtom van tots en la mateixa direcció mentre que els que escup l'àtom surten en totes direccions, per tant, per la conservació del moment linial fan que la velocitat de l'àtom disminueixi.

Però això resulta molt fàcil i no pot ser, cal recordar que perquè un electró absorbeixi un fotó aquest ha de tenir una freqüència determinada. El que s'ha d'aconseguir doncs és un làser que en puguis regular la freqüència d'emisió ja que cada àtom necessitarà una freqüència diferent. Ja que si s'emeten uns fotons a una freqüencia no desitjada passaran de llarg i no s'aconseguirà res.

Els problemes no s'acaben aquí, com és d'esperar en un recipient no tots els àtoms es mouen a la mateixa velocitat ni direcció, n'hi ha de més ràpids i de més lents. No pot ser que per aturar els més ràpids el que s'aconsegueixi és accelerar els més lents!! Seria una estupidesa. És fàcil de dir però com es resol? Aquí hi intervé un altre concepte físic: l'Efecte Doppler.

Els àtoms que vagin a major velocitat "veuran" els fotons amb una longitud d'ona menor que els més lents i ajustant bé la freqüencia els fotons només seran rebotats pels àtoms amb més velocitat i en canvi passaran de llarg en els àtoms més lents i els que es moguin en sentit contrari.

Però al recipient els àtoms van en més d'una direcció!! La solució és col·locar més làsers i anar modificant la freqüència a mesura que es van reduint les velocitats dels àtoms.

Hi ha encara un altre però. Aquests àtoms que han quedat atrapats no estan absolutament immòbils i es podrien escapar dels feixos de fotons que els retenen i rebotar contra les parets. Per tal que això no passi es pot generar un camp magnètic que sigui mès dèbil al centre i més potent als extrems del recipient, amb aquest petit truc aconseguim que els àtoms es mantinguin al centre.


Amb un procediment molt semblant a aquest i uns 2.000 àtoms de rubidi vaporitzats a una temperatura de 170 nanokelvins, l'any 1995, un parell de físics van obtenir un altre estat de la matèria: el primer condensat Bose-Einstein.

L'any 2001 Carl E. Wieman i Eric A. Cornell van ser premiats amb el Nobel de Física júntament amb l'alemany Wolfgang Ketterle qui havia aconseguit fer el mateix amb àtoms de sodi.