Un equipo de científicos liderados por Ulli Eichmann de la Universidad Técnica de Berlín (Alemania) ha demostrado que una interacción poco conocida, causada por los campos eléctricos y llamada fuerza ponderomotriz, puede acelerar partículas neutras hasta 100 billones de veces la aceleración de la gravedad terrestre, g. Esta es, de lejos, la mayor aceleración jamás observada en átomos neutros provocada por campos externos. Los resultados se publican en Nature.
Cuando los objetos que poseen una carga eléctrica se exponen a un campo eléctrico experimentan una fuerza que puede hacer que se muevan. Si el campo eléctrico es oscilante, sin embargo, el objeto cargado se ve expuesto a una segunda fuerza que es proporcional al gradiente de la intensidad del campo. Dependiendo de la cantidad de materia y de la magnitud de este gradiente de intensidad, la fuerza ponderomotriz, así se llama esta segunda fuerza, puede tener un efecto significativo.
Hasta ahora se asumía que la fuerza ponderomotriz tendría un efecto despreciable sobre la materia si ésta es neutra, si no posee carga eléctrica neta. Pero Eichmann et ál. dicen que esto no tiene por qué ser así. Estos investigadores argumentan que el efecto es mayormente independiente de la carga y diseñaron un experimento para demostrar la magnitud del efecto sobre la materia neutra.
El equipo de Eichmann comenzó apuntando un flujo de átomos de helio a un detector, antes de disparar una serie de pulsos láser al flujo de tal manera que los átomos individuales se veían expuestos a un campo electromagnético localizado. Entonces, analizando los datos de su detector sensible a la posición, fueron capaces de demostrar que al menos el uno por ciento de los átomos de helio se había visto sometido a una aceleración, en algunos casos de 100 billones de veces la aceleración de la gravedad terrestre.
Para explicar el mecanismo de esta aceleración, Eichmann y sus colegas hacen referencia a un modelo publicado por ellos mismos el año pasado. Cuando los átomos se exponen a un pulso láser, un electrón puede ganar energía del campo láser, haciendo que se “libere” brevemente del átomo. Sin embargo esta energía no es suficiente para que el electrón venza completamente la atracción del núcleo y es “recapturado” pero en una posición muy alejada del núcleo, situación que se llama estado de Rydberg.
Es en este estado en el que el átomo se ve sujeto a la fuerza ponderomotriz y el electrón puede arrastrar a todo el átomo en la dirección del campo eléctrico localizado. Afortunadamente para los investigadores, este estado tuvo una duración suficiente como para localizar las posiciones de los átomos de helio en el detector y descartar así otros efectos que podrían haber hecho que el flujo de átomos neutros se desviase y esparciese [en la imagen, gentileza de los autores, la deflexión observada en los átomos de helio].
Las aplicaciones de este hallazgo tanto en física fundamental como aplicada pueden ser numerosísimas. Imagine el lector qué podría hacer sabiendo que los átomos neutros pueden ser dirigidos manipulando la geometría espacial de los campos láser. Daremos sólo dos ejemplos inmediatos: por un lado la deposición precisa y eficiente de átomos en superficies en aplicaciones ópticas; por otro, interacciones a velocidades bien definidas entre átomos y moléculas para aplicaciones químicas. Dejando volar la imaginación, ¿por qué no un nuevo sistema de propulsión para naves espaciales?
Cuando los objetos que poseen una carga eléctrica se exponen a un campo eléctrico experimentan una fuerza que puede hacer que se muevan. Si el campo eléctrico es oscilante, sin embargo, el objeto cargado se ve expuesto a una segunda fuerza que es proporcional al gradiente de la intensidad del campo. Dependiendo de la cantidad de materia y de la magnitud de este gradiente de intensidad, la fuerza ponderomotriz, así se llama esta segunda fuerza, puede tener un efecto significativo.
Hasta ahora se asumía que la fuerza ponderomotriz tendría un efecto despreciable sobre la materia si ésta es neutra, si no posee carga eléctrica neta. Pero Eichmann et ál. dicen que esto no tiene por qué ser así. Estos investigadores argumentan que el efecto es mayormente independiente de la carga y diseñaron un experimento para demostrar la magnitud del efecto sobre la materia neutra.
El equipo de Eichmann comenzó apuntando un flujo de átomos de helio a un detector, antes de disparar una serie de pulsos láser al flujo de tal manera que los átomos individuales se veían expuestos a un campo electromagnético localizado. Entonces, analizando los datos de su detector sensible a la posición, fueron capaces de demostrar que al menos el uno por ciento de los átomos de helio se había visto sometido a una aceleración, en algunos casos de 100 billones de veces la aceleración de la gravedad terrestre.
Para explicar el mecanismo de esta aceleración, Eichmann y sus colegas hacen referencia a un modelo publicado por ellos mismos el año pasado. Cuando los átomos se exponen a un pulso láser, un electrón puede ganar energía del campo láser, haciendo que se “libere” brevemente del átomo. Sin embargo esta energía no es suficiente para que el electrón venza completamente la atracción del núcleo y es “recapturado” pero en una posición muy alejada del núcleo, situación que se llama estado de Rydberg.
Es en este estado en el que el átomo se ve sujeto a la fuerza ponderomotriz y el electrón puede arrastrar a todo el átomo en la dirección del campo eléctrico localizado. Afortunadamente para los investigadores, este estado tuvo una duración suficiente como para localizar las posiciones de los átomos de helio en el detector y descartar así otros efectos que podrían haber hecho que el flujo de átomos neutros se desviase y esparciese [en la imagen, gentileza de los autores, la deflexión observada en los átomos de helio].
Las aplicaciones de este hallazgo tanto en física fundamental como aplicada pueden ser numerosísimas. Imagine el lector qué podría hacer sabiendo que los átomos neutros pueden ser dirigidos manipulando la geometría espacial de los campos láser. Daremos sólo dos ejemplos inmediatos: por un lado la deposición precisa y eficiente de átomos en superficies en aplicaciones ópticas; por otro, interacciones a velocidades bien definidas entre átomos y moléculas para aplicaciones químicas. Dejando volar la imaginación, ¿por qué no un nuevo sistema de propulsión para naves espaciales?
Referencia:
Eichmann, U., Nubbemeyer, T., Rottke, H., & Sandner, W. (2009). Acceleration of neutral atoms in strong short-pulse laser fields Nature, 461 (7268), 1261-1264 DOI: 10.1038/nature08481
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