Monitoreada experimentalmente la trayectoria de átomos individuales

En un estudio que contó con participación de un doctorando brasileño, también se pudo calcular en forma experimental el valor de la constante de interacción entre dos átomos

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – En el marco de un experimento realizado en el Departamento de Física de la Universidad de Michigan, en Estados Unidos, se monitoreó la trayectoria de átomos individuales y se registraron sus imágenes. Este estudio estuvo a cargo del doctorando brasileño Luís Felipe Gonçalves, de su colega tailandesa Nithiwadee Thaicharoen y del supervisor de ambos, Georg Raithel. Y un artículo al respecto, intitulado “Atom-Pair Kinetics with Strong Electric-Dipole Interactions” y firmado por los tres científicos, salió publicado en la revista Physical Review Letters.

Gonçalves está concluyendo su doctorado en el Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), en Brasil, con beca de la FAPESP. Y realizó una pasantía en Michigan también con beca de la Fundación.

Un resultado notable de este estudio fue la obtención experimental del valor numérico del parámetro de la interacción dipolar entre dos átomos, mediante la utilización de imágenes de la distribución atómica. Dicho parámetro describe la variación de la energía de un átomo en función de la distancia con relación a otro átomo cercano. Para el material considerado, el rubidio (Rb), en el estado excitado elegido, el valor teórico, medido en julios multiplicados por metros cúbicos (J.m³), es de 3,72 x 10^-42. El experimento permitió llegar al siguiente número: (3,3 ± 1,8) x 10^-42.

“Fue una medición directa de ese parámetro. Y también la primera visualización en imágenes de esa interacción entre dos átomos. Observamos experimentalmente que dicha interacción es efectivamente anisotrópica, es decir, depende de la posición relativa de los átomos”, declaró Gonçalves a Agência FAPESP.

El experimento se realizó con átomos de rubidio en el interior de una cámara de ultra alto vacío. Aprisionados en una trampa magneto-óptica, constituida por tres haces de láser ortogonales y un campo magnético externo, decenas de millones de átomos, en su estado fundamental, quedaron retenidos una región esférica de aproximadamente un centímetro de diámetro, en la intersección entre las tres líneas de luz.

En ese conjunto de decenas de millones de átomos, un pulso de láser excitó a una cantidad mucho menor de éstos, llevándolos del estado fundamental a uno llamado estado de Rydberg. Ese estado fuertemente excitado, denominado así en homenaje al físico sueco Janne Rydberg (1854-1919), corresponde a una situación en la cual, debido al aporte de energía externa, los electrones se desplazan hacia las capas más exteriores de los átomos, pero aún no se desprenden de éstos. Hasta ese punto, por ende, no ha habido ionización.

“En los estados excitados, esos átomos se vuelven sumamente interactivos. Y en este estado específico, llamado ‘50S’, la interacción es isotrópica y repulsiva. Una explicación bastante simplificada consiste en decir que esto sucede porque los electrones más exteriores se distribuyen con igual probabilidad en todas las direcciones. Debido a la repulsión electromagnética de las cargas negativas de los electrones, los átomos se repelen, pero lo hacen de manera isotrópica, es decir, independientemente de la dirección espacial. Para llevar adelante este experimento, el paso siguiente consistió en aplicar un campo eléctrico sobre el conjunto”, afirmó el investigador.

El campo eléctrico externo polarizó a cada átomo excitado, haciendo que los electrones más externos se concentrasen con mayor probabilidad en una determinada zona de la capa exterior. De este modo, aunque en su conjunto el átomo es neutro eléctricamente, toda vez que las cargas positivas del núcleo contrabalancean a las cargas negativas de los electrones, pasa comportarse en su interior como un dipolo eléctrico. Se parece entonces a un pequeño imán, con un polo positivo, formado por el núcleo, y un polo negativo, formado por la zona de concentración de la nube electrónica.

“Tuvimos el cuidado de aumentar la intensidad del campo eléctrico muy gradualmente, de manera tal de producir una transformación adiabática, es decir, sin cambio de estado atómico”, añadió Gonçalves.

Una vez polarizados, los átomos pasaron a interactuar de manera anisotrópica, atrayéndose o repeliéndose de acuerdo con su posición relativa; más precisamente, de acuerdo con el ángulo formado por la dirección del campo eléctrico exterior y el eje internuclear. “Cuando el eje de polarización de los átomos, que tiene la misma dirección y el mismo sentido del campo eléctrico, se alinea al eje internuclear, pasan a atraerse unos a otros. Y se repelen cuando el campo se aplica en dirección ortogonal”, describió el investigador.

Propelidos por atracción o repulsión eléctrica, los átomos pudieron evolucionar en el transcurso del tiempo en el interior de la trampa. Esto fue hasta el instante en que un pulso eléctrico sumamente fuerte, proyectado por la punta de una aguja ubicada unos 400 micrones por debajo de la muestra, los ionizó, arrancando a los electrones más exteriores y lanzando los iones al encuentro de un detector. “Este detector posee una pantalla de fósforo que exhibe fluorescencia cada vez que es percutida. Así fue como se generaron las imágenes que muestran la posición de cada átomo”, explicó Gonçalves.

Al lanzárselo, el haz de iones se propaga, de manera tal que la distancia entre dos átomos aumenta. En la trampa, es de unos pocos micrones. Al incidir en el detector ya es del orden de los milímetros. Esta divergencia está controlada y puede medírsela. “Al medir las distancias de todos los iones, de dos en dos, obtuvimos un conjunto de valores para las coordenadas x e y por cada disparo. Y convertimos cada par de valores en un punto de una matriz bidimensional de correlación. Cada cuadro de la matriz corresponde a alrededor de cinco mil imágenes registradas por el detector. Cuadros sucesivos, generados en intervalos de tiempo de dos microsegundos, permitieran observar la evolución de las interacciones en el transcurso del tiempo”, añadió.

La diferencia de patrón de los cuadros generados cuando los iones se atraen o se repelen mostró que la interacción es efectivamente anisotrópica. Fue la primera vez que se obtuvo una imagen de este efecto a nivel atómico. Y la medición de la evolución de las distancias permitió calcular numéricamente el valor del parámetro de interacción, lo cual confirmó el valor teórico. Análogamente a lo que sucede cuando se dispersa limadura de hierro sobre una hoja de papel y se pasa una barra imantada por debajo de esa hoja –lo cual permite visualizar las líneas de fuerza del campo magnético–, este experimento, con procedimientos mucho más sofisticados, permitió de algún modo visualizar el ordenamiento espacial de partículas, debido a la aplicación de un campo eléctrico externo.

En esta animación puede observarse únicamente el carácter repulsivo de la interacción. El aumento de la distancia interatómica media se refleja en el aumento del diámetro del disco. La secuencia permite extraer el parámetro de interacción (animación elaborada por el investigador).