Enfriamiento de átomos por láser

Por Vicente Aboites y José Vega

Si la energía del rayo láser se emplea para aumentar la temperatura de zonas específicas, ¿cómo usarla para enfriar átomos? Los autores de este libro nos explican a través de una breve descripción qué es el calor, el efecto Doppler y las bases del funcionamiento del láser que cotidianamente empleamos en los reproductores de discos compactos.

• Idioma: Español
• Editorial: Fondo de Cultura Económica
• Fecha de lanzamiento: 7 may 2013
• ISBN: 9786071614049

Vista previa del libro

macroscópico.

I. Calor, movimiento y temperatura

CUANDO HABLAMOS de enfriamiento, lo primero que se nos viene a la mente son los deliciosos helados que tanto nos gusta saborear en verano. Recién servidos se ven deliciosos y bastante sólidos; pero muy pronto, por el calor del ambiente y de las manos que los sostienen, los helados empiezan a derretirse y parte de ellos se convierte en líquido. Hay que tomarlos con bastante prisa para evitar un desastre. Aquí hemos nombrado una palabra clave cuyo significado es claro para todos cuando se menciona, pero difícil de definir: el calor. El calor calienta los cuerpos, los derrite, los evapora y los quema; entonces, para enfriar un objeto hay que quitarle calor. Pero, ¿qué es el calor? ¿Dónde reside el calor que tienen las cosas y cómo se lo podemos quitar? Éstas son las preguntas que trataremos de responder en este capítulo.

EL CALOR

En la vida diaria, estamos acostumbrados a ver las cosas de la naturaleza en cuatro presentaciones: sólidas, líquidas, gaseosas y plasmas. Un trozo de metal, un poco de aceite, el aire y una descarga eléctrica son ejemplos comunes de cada una de ellas, respectivamente. A cada una de estas presentaciones acostumbramos llamarlas fases o estados de la materia. Pero su presentación no es permanente: el metal se puede derretir; el aceite se puede evaporar; el aire (a muy bajas temperaturas) puede pasar a estado líquido, y la descarga eléctrica que forma un plasma dura sólo un instante. ¿Cuál es la razón de estos cambios?

Para imaginar una respuesta haremos un experimento con una sustancia que nos es muy familiar: el agua. A menudo la vemos en tres de sus presentaciones: sólida, líquida y gaseosa. Empecemos por sacar unos cubos de hielo (agua sólida) del refrigerador; los colocamos en un recipiente, como se muestra en la figura I.1. No transcurrirá mucho tiempo para que aparezca sobre el hielo una fina capa de agua líquida que empezará a acumularse en el fondo del recipiente. El agua está pasando del estado sólido al líquido. Si introducimos ahora un termómetro en contacto con la mezcla de agua y hielo, veremos que señalará una temperatura de 0°C. Si seguimos observando, notaremos que mientras coexisten el hielo y el agua en el recipiente, la lectura del termómetro no cambia. La causa de este fenómeno la entenderemos más adelante, cuando podamos distinguir entre el calor y la temperatura. Por el momento, notaremos que, al cabo de cierto tiempo, todo el hielo se derrite. Una vez que tengamos toda el agua en estado líquido, observaremos que la lectura del termómetro empezará a subir. Para hacer más notable este hecho, pongamos el recipiente con agua en la flama de la estufa. Aquí sí sabemos qué está pasando: la flama de la estufa está calentando el agua; hasta nosotros sentimos el calor de la flama. Veamos qué pasa enseguida. Al cabo de algunos minutos, el agua empieza a burbujear (comienza la ebullición) y una parte se evapora. Estamos obteniendo agua en estado gaseoso. Si vemos el termómetro ahora que el agua se está evaporando, notaremos que marca 100°C (si estamos al nivel del mar, ya que la lectura exacta depende de la altura con respecto a este nivel) y se mantiene en esa posición durante el proceso de evaporación.

FIGURA I.1. Cambio de fase a la temperatura constante. El agua y el hielo coexisten a 0°C. La temperatura no aumenta mientras el hielo se derrite

Podemos imaginar el final de este experimento: toda el agua se evaporará, se dispersará por el ambiente y nos quedaremos con el recipiente seco. Si queremos que esto no suceda, podemos cerrar el recipiente perfectamente. Una buena idea es empezar el experimento tomando una olla de presión como recipiente. De esta manera, podemos seguir calentando el agua sin que se escape en forma gaseosa, como se muestra en la olla de presión del inciso a) de la figura I.2. Pero, ¿qué es lo que pasa con el agua gaseosa dentro de la olla de presión? Para saberlo, dejamos escapar un poco del vapor de agua por el pequeño orificio que, por seguridad, todas las ollas de presión tienen; de esta manera, sabremos qué está pasando adentro. Ésta es la parte crucial de nuestro experimento. Primero notaremos que sale un chorro de vapor de agua a cierta velocidad moderada. Al seguir calentando el agua, la velocidad del chorro aumenta y la olla de presión empieza a emitir un silbido característico. Pensemos un poco sobre lo que está pasando. Estamos calentando el vapor de agua y debido a esto su velocidad aumenta, como se observa en la olla del inciso b) de la figura I.2. ¡Estamos acelerando las moléculas del vapor de agua! Éste es el resultado que deseábamos encontrar; es muy importante y lo vamos a repetir: el calor acelera las moléculas del vapor de