Interaccions llum-matèria

La meva pròpia ignorància pel que fa al que la física és capaç d’explicar, em feia pensar que tota interacció entre matèria i llum té com a efecte el xoc entre partícules, és a dir, desprendre energia i calor. Haig de dir que he millorat una mica després d’una visita al ICFO i ara sé que podem filar més prim i, si penseu igual, aquesta entrada és per explicar que no té per què ser així.

Tots els àtoms tenen una empremta pròpia, i són els nivells energètics en els quals poden absorbir o emetre fotons (llum). Aquests no són més que salts quàntics entre nivells d’energia permesos dels electrons, els hi diem espectres atòmics. A mesura que les tècniques experimentals han millorat hem pogut obtenir més informació intrínseca de cadascun dels elements, d’aquesta manera podem “llegir”  l’espectre de la llum que ens arriba del Sol i identificar els seus constituents.

Quan tenim un gas confinat en un recipient (a volum constant), la velocitat de cadascuna de les partícules d’aquest gas – siguin molècules i/o àtoms – és diferent. Ara bé, podem definir paràmetres de grup com la velocitat mitjana de la població i veure com aquesta estarà relacionada una magnitud física del sistema: la temperatura.

La temperatura i la velocitat mitjana són directament proporcionals, això vol dir que a més velocitat mitjana més temperatura serà mesurada. De forma intuïtiva podríem dir que si les partícules del sistema es mouen a més velocitat, el sistema serà més energètic (les partícules tindran més energia cinètica) que s’acabarà traduint en forma de temperatura gràcies a que hi haurà més col·lisions entre elles. Si això és així, ens sorgeix una gran pregunta, rellentint el moviment de les partícules globalment podríem baixar la temperatura del sistema? Doncs sí.

La pregunta ara és com aconseguir baixar la temperatura frenant les partícules del sistema. Recordeu l’efecte Doppler? Un observador que veu moure’s un tren escoltant el seu xiulet? Que passa quan s’allunya i quan s’apropa respecte a un observador situat a l’andana (il·lustració 1)?

El mateix efecte de canvi en la freqüència característica dels àtoms es produeix quan aquests es mouen, queden modulades en la seva direcció de moviment respecte a l’observador.

Una partícula en moviment és capaç de cedir la magnitud del moment a una altra partícula després d’interactuar amb ella, no es pot crear ni de destruir, sinó transferir (totalment o parcialment).  A més cal recordar que es tracta d’una magnitud vectorial, vull dir que per caracteritzar-la ens cal una direcció, un sentit i un mòdul.

Quan estudiem el moment dels àtoms d’un gas com podria ser el de Sodi vaporitzat, veiem que les partícules poden viatjar a aproximadament 1000 m/s a temperatura ambient. Penseu que és una velocitat molt elevada respecte a nosaltres degut principalment a la gran diferència d’escala. Per reduir la velocitat d’aquestes partícules el que farem és fer-les col·lidir amb un feix de llum làser (monocromàtica amb una freqüència determinada). Aquests àtoms de sodi podran absorbir els fotons si són de la freqüència pròpia de l’espectre del sodi. Si aquests viatgen en la direcció i sentit de la font (apropant-se a ella) es donarà que per efecte Doppler la freqüència es moduli i hi pugui haver transferència de moment entre els fotons del làser i els àtoms de sodi evaporat. En aquest cas, els fotons del feix làser transferiran una freqüència una miqueta superior als àtoms de sodi però de moment en sentit oposat provocant que aquests es frenin. Si pel contrari, els àtoms de sodi viatgen en la mateixa direcció de la llum però allunyant-se de la font el que observarem és que la freqüència està desplaçada  cap a una freqüència més baixa allunyant-se de l’espectre del sodi i per tant, no es transfereix tant moment. El resultat final és que els àtoms es mouen més lentament i per tant la temperatura baixa (en la il·lustració 2 podem veure de forma esquemàtica com s’utilitza aquest principi per atrapar una partícula en un feix làser en el qual es coneix com a pinça òptica).

Aquesta moguda no dura eternament perquè la freqüència de corriment de l’efecte Doppler també variarà i impedirà l’absorció de la llum i al cap de poc temps continuaran els àtoms el seu moviment sense cap dificultat pel feix de llum. Com podem evitar aquest problema? Tenim dues opcions: la primera solució seria que el làser fos de freqüència variable adaptant-se a mesura que els moments dels àtoms es redueixen, baixant així la temperatura del sistema de forma contínua. La segona solució seria mantenir la freqüència del làser però fent passar als àtoms per camps magnètics variables de manera que es pugui mantenir l’absorció de la llum.

Ambdues solucions ens permeten baixar la velocitat mitjana del sistema per sota de 3 m/s, o en altres paraules, la temperatura baixaria a mil·lèsimes de kelvin (aproximadament -270 graus centígrads). En definitiva, la llum interacciona amb la matèria de moltes formes i utilitzant el disseny experimental adient podem refredar matèria utilitzant llum.