Física atómica, un área poco explorada en México

El estudio de los átomos a través de la física atómica es un área poco explorada en el país, por lo que las oportunidades de investigación son amplias y los retos son muchos.

Hace una década en México no existían resultados de investigación experimental en el área de átomos enfriados por láser. La ausencia de trabajos de este tipo se debía a dos razones: a la complejidad de esta área de conocimiento y al costo de los experimentos. Ahora existe un grupo en el Instituto de Física de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP), que encabeza el doctor Eduardo Gómez García, el cual ha presentado 59 trabajos en diversos congresos sobre el tema.

A casi nueve años de haber impulsado esta área, “tenemos el mejor laboratorio de enfriado láser en México, una contribución importante dado lo escaso de los fondos, y ha sido posible gracias a que una fracción de los equipos los hemos fabricado nosotros. Los láseres que diseñamos y construimos son cinco veces más económicos que su contraparte comercial y menos sensibles a las vibraciones”, dijo el investigador.

Por su trabajo y resultados en el área de física atómica, Gómez García fue reconocido con el Premio de Investigación de la Academia Mexicana de Ciencias (AMC) 2015, en el área de ciencias exactas.

Enfriado láser

Desde hace más de treinta años se conoce dentro de la comunidad científica que con ayuda del láser se puede atrapar átomos y enfriarlos a temperaturas bajas cercanas al cero absoluto; es decir, con el enfriado láser se logra inmovilizar a un solo átomo, siendo  los láseres la tecnología responsable de la fuerza que se ejerce para atrapar a los átomos y enfriarlos casi al cero absoluto, que corresponde a una temperatura de menos 273.15 °C (menos 459.67 °F), aproximadamente.

Para lograr el enfriado láser se requiere tener átomos en un sistema de ultra alto vacío, por lo que es necesaria una cámara que provea vacío de alta calidad, ahí se suelta una pequeña cantidad de átomos, que en el caso del laboratorio del doctor Eduardo Gómez, son de rubidio. Estos átomos se tienen que iluminar con los láseres que forman la trampa para que respondan a frecuencias muy específicas. Para este proceso es indispensable controlar la frecuencia de los láseres para atrapar e interaccionar con los átomos.

“Si se busca cambiar la frecuencia de los láseres, moverlos,  apagarlos y así manipular a los átomos, se necesita un sistema de control automatizado para que realice todo el proceso de manera muy precisa, la secuencia completa tarda del orden de 100 milisegundos, y en ese tiempo ocurren muchas cosas”, sostuvo.

El investigador comentó que poder implementar la manipulación atómica cuántica ha llevado varios años, pero que gracias a ese esfuerzo se cuenta ahora con un conjunto de capacidades únicas en el país: “Construimos nuestros propios amplificadores láser, sistemas de retroalimentación, sistemas de detección de bajo ruido, obturadores, y aunque esto nos ha retrasado en los objetivos científicos, se han desarrollado recursos humanos de alto perfil sin miedo a desarrollar tecnología de punta. Ahora, nuestros obturadores son 100 veces más rápidos que cualquier obturador mecánico disponible comercialmente”, subrayó.

A nivel internacional su grupo ha realizado aportaciones importantes como es la implementación de varios arreglos experimentales de manera simplificada, el resultado más relevante de los obtenidos hasta ahora en el laboratorio de Gómez García muestra cómo obtener una trampa atómica de dos o más isótopos utilizando un solo laser y un modulador electro-óptico, lo cual se traduce en un sistema de enorme simplificación para enfriado láser en donde de forma adicional se lleva el control de los haces ópticos al mundo de la radiofrecuencia.

También ha aportado un sistema para escanear rápidamente el láser trampa logrando alta potencia y está por reportar dos técnicas para mejorar aspectos de la interferometría atómica para mediciones gravimétricas. En la actualidad otros laboratorios en México están trabajando en enfriado láser, lo cual celebra el físico porque muestra que la investigación en esta área está creciendo.

La actividad profesional desarrollada por Eduardo Gómez García incluye su participación en una colaboración internacional interesada en estudiar la fuerza débil en el núcleo mediante mediciones de  violación de paridad en átomos de francio (participan seis investigadores de Canadá, Estados Unidos y México) y se ubica en el acelerador TRIUMF, en Canadá.

El investigador consideró que los estudios que realiza son importantes, ya que la física atómica es un área que ha crecido mucho en los últimos años debido a que ha permitido el “control exquisito” sobre los átomos. “Hoy en día es posible colocar a los átomos en las condiciones que queramos, en las que se nos ocurra, y ello permite la manipulación coherente o cuántica, puedo aprovechar los átomos y aprovechar la mecánica cuántica que es una de las áreas relativamente recientes de la física, para realizar procesos y desarrollos  que antes no eran posible, como son mejores sensores, nuevos estados de la materia, nueva física y algunas otras aplicaciones tecnológicas, gracias a la capacidad de manipular los átomos con presión”.

Hace dos años se fundó el Laboratorio Nacional de Materia Cuántica del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) y dentro de este se halla la Unidad de Sensores Cuánticos, en la que   Gómez  García enfoca su trabajo a las técnicas de física atómica con el objetivo de explorar la  capacidad de hacer interactuar a los átomos con resonadores macroscópicos cuánticos, que es un campo de oportunidad en la física que ha comenzado a crecer rápidamente en años recientes.

Y ante la posibilidad de concretar un experimento de gran escala en física atómica en México, el científico reconocido con la distinción más importante que otorga la AMC ha impulsado la formación de un grupo de investigación para encontrar una manera alternativa de medir masa y medir fuerzas gravitacionales con alta precisión, como objetivos principales.

A largo plazo, el problema que le interesa al investigador del UASLP es la especialidad del laboratorio, para tratar de medir fuerzas pequeñas, de tipo mecánico. “El énfasis a corto plazo ha sido desarrollar sensores y mejorar ciertos aspectos puntuales de cómo eventualmente hacerlos interactuar de manera cuántica, con un objeto de tipo macroscópico”.