EN EL LABORATORIO DE ATOMOS FRIOS DEL INSTITUTO DE CIENCIAS NUCLEARES (ICN) ENFRIAN DE FORMA COTIDIANA ATOMOS A TEMPERATURAS CERCANAS AL CERO ABSOLUTO, ES DECIR, CASI A – 273.15° CELSIUS. EL OBJETIVO ES HACER INVESTIGACION BASICA Y APLICADA. AL ENFRIAR ATOMOS SE PUEDE ESTUDIARLOS Y CONTROLARLOS CON MUCHISIMA PRECISION, DIJO FERNANDO RAMIREZ MARTINEZ, INVESTIGADOR CORRESPONSABLE DEL LABORATORIO. “PRIMERO TENEMOS QUE ATRAPARLOS, Y PARA LOGRARLO NECESITAMOS INTERACTUAR CON ELLOS. PARA ESTO, LA LUZ ES NUESTRA PRINCIPAL HERRAMIENTA DE TRABAJO”. LOS INVESTIGADORES, PARA ALCANZAR ESAS TEMPERATURAS, HACEN MAS LENTO EL MOVIMIENTO DE LAS PARTICULAS ATOMICAS UTILIZANDO HACES DE LUZ LASER. USUALMENTE, LA EXPERIENCIA INDICA QUE LA LUZ CALIENTA A LA MATERIA SOBRE LA QUE INCIDE, COMO CUANDO NOS PONEMOS AL SOL. PERO USANDO LA LUZ LASER DE UNA MANERA MUY PRECISA PUEDEN ENFRIARSE LOS ATOMOS, REDUCIENDO SU MOVIMIENTO CASI AL GRADO DE DETENERLOS POR COMPLETO. EN EL LABORATORIO UTILIZAN ATOMOS DE RUBIDIO EN ESTADO GASEOSO, AUNQUE TAMBIEN SUELEN USARSE EN ESTOS EXPERIMENTOS OTROS, COMO EL CESIO QUE INCIDENTALMENTE SE EMPLEA PARA DEFINIR LA DURACION DE UN SEGUNDO, EXPLICO LINA MARIETH HOYOS, PARTICIPANTE EN EL PROYECTO. TRABAJAN CON EL RUBIDIO SIMPLEMENTE POR CUESTIONES TECNICAS, PUES RESULTA MAS ECONOMICO Y SU MANEJO ES MUY SENCILLO, AGREGO RAMIREZ MARTINEZ. UNA TRAMPA MAGNETO-OPTICA ES UN DISPOSITIVO EN EL QUE SE ENFRIAN Y CONFINAN LOS ATOMOS EN UN VOLUMEN MUY PEQUENITO. ESTA COMPUESTA POR UNA CAMARA DE VACIO EN LA QUE SE INYECTAN LOS QUE SE QUIEREN ENFRIAR, QUE EN UN PRINCIPIO SE MUEVEN MUY RAPIDO Y EN TODAS DIRECCIONES (EN PROMEDIO ALGUNOS CIENTOS DE METROS POR SEGUNDO), DEBIDO A QUE SE ENCUENTRAN A TEMPERATURA AMBIENTE. PARA INTERACTUAR CON ELLOS LA HERRAMIENTA QUE USAN Y QUE EJERCE UNA FUERZA QUE LOS FRENE AL GRADO DE CASI DETENER POR COMPLETO SU MOVIMIENTO SON LOS FOTONES DE UN HAZ LASER CON UNA LONGITUD DE ONDA MUY ESPECIFICA, EXPLICO RAMIREZ MARTINEZ. UNA VEZ AHI, DESPUES DE CIERTO TIEMPO DE SER FRENADOS POR LA LUZ, LOS ATOMOS YA NO SIENTEN LA FUERZA Y EMPIEZAN A MOVERSE A UNA VELOCIDAD TERMINAL Y CONSTANTE, EXPLICO EL INVESTIGADOR. EN ESTA FASE LOS ATOMOS ESTAN EN LA REGION DONDE LOS LASERES SE INTERSECTAN, Y SU MOVIMIENTO ES TAN LENTO QUE ES COMO SI ESTUVIERAN ATRAPADOS EN UN LIQUIDO VISCOSO, UN EFECTO QUE LOS CIENTIFICOS QUE CREARON UNA DE LAS PRIMERAS TRAMPAS MAGNETO-OPTICAS LLAMARON ‘MELAZA OPTICA’, AGREGO. SE CREAN PAREDES MAGNETO-OPTICAS PARA IMPEDIR QUE LOS ATOMOS SALGAN DE LA MALEZA OPTICA. EL INVESTIGADOR UNIVERSITARIO EXPLICO QUE CON LOS ATOMOS FRIOS SE PUEDE MEDIR CON IGUAL O MAYOR PRECISION LA ACELERACION DE LA GRAVEDAD DE LA TIERRA. AGREGO QUE CON LOS ATOMOS FRIOS PODEMOS BUSCAR YACIMIENTOS MINERALES, DE PETROLEO O RESERVAS DE AGUA. A ESO SE LE CONOCE COMO GRAVIMETRIA. PERO NO SOLO PARA HACER LA BUSQUEDA, SINO TAMBIEN PARA ADMINISTRAR ESOS YACIMIENTOS RESULTA UTIL MEDIR SI EL NIVEL DE LAS RESERVAS DE AGUA ESTA BAJANDO O SUBIENDO. ESTO LO PODEMOS DETECTAR AL MEDIR LOS CAMBIOS EN LA ACELERACION DE LA GRAVEDAD CAUSADOS POR LAS VARIACIONES DE LAS RESERVAS DE AGUA. OTRA APLICACION DE ESTOS DISPOSITIVOS CON IMPORTANTES IMPLICACIONES PARA EL BIENESTAR DE LA SOCIEDAD EN NUESTRO PAIS CONSISTE EN DETECTAR EL MOVIMIENTO DE LAS PLACAS TECTONICAS. “ES IMPORTANTE QUE LO QUE VAYAMOS A MEDIR SEA ALGO CON MASA, YA SEA DE AGUA O DE PETROLEO, PORQUE DE ESA MANERA OBTENDREMOS LA INFORMACION QUE REQUERIMOS; LO MISMO OCURRE CON EL MOVIMIENTO DE LAS PLACAS TECTONICAS. SI HAY MAS O MENOS AGUA, O SI HAY UN DESPLAZAMIENTO EN ALGUNA PLACA TECTONICA, ENTONCES, LA MASA CAMBIA Y EN TODOS LOS CASOS EL VALOR DE “G” ES DIFERENTE”, EXPLICO MARIETH HOYOS. CON UN GRAVIMETRO DE ATOMOS FRIOS PODRIA MEDIRSE COMO DISMINUYE LA MASA DE AGUA SUBTERRANEA, A QUE TASA SUCEDEN ESTOS CAMBIOS, E INCLUSO SI SE ESTA YENDO A OTRO LADO, SIN NECESIDAD DE HACER PERFORACIONES. EN EL CASO DE CIUDAD DE MEXICO, EL GRAVIMETRO DARIA INFORMACION DE CUANTO ESTA BAJANDO EL NIVEL DE AGUA EN LOS MANTOS FREATICOS Y ESTO PUEDE RELACIONARSE CON LOS HUNDIMIENTOS DEL SUELO CAUSADOS POR LA EXTRACCION EXCESIVA DE AGUA, INDICO RAMIREZ MARTINEZ.
EN EL LABORATORIO DE ATOMOS FRIOS DEL INSTITUTO DE CIENCIAS NUCLEARES (ICN) ENFRIAN DE FORMA COTIDIANA ATOMOS A TEMPERATURAS CERCANAS AL CERO ABSOLUTO, ES DECIR, CASI A – 273.15° CELSIUS. EL OBJETIVO ES HACER INVESTIGACION BASICA Y APLICADA. AL ENFRIAR ATOMOS SE PUEDE ESTUDIARLOS Y CONTROLARLOS CON MUCHISIMA PRECISION, DIJO FERNANDO RAMIREZ MARTINEZ, INVESTIGADOR CORRESPONSABLE DEL LABORATORIO. “PRIMERO TENEMOS QUE ATRAPARLOS, Y PARA LOGRARLO NECESITAMOS INTERACTUAR CON ELLOS. PARA ESTO, LA LUZ ES NUESTRA PRINCIPAL HERRAMIENTA DE TRABAJO”. LOS INVESTIGADORES, PARA ALCANZAR ESAS TEMPERATURAS, HACEN MAS LENTO EL MOVIMIENTO DE LAS PARTICULAS ATOMICAS UTILIZANDO HACES DE LUZ LASER. USUALMENTE, LA EXPERIENCIA INDICA QUE LA LUZ CALIENTA A LA MATERIA SOBRE LA QUE INCIDE, COMO CUANDO NOS PONEMOS AL SOL. PERO USANDO LA LUZ LASER DE UNA MANERA MUY PRECISA PUEDEN ENFRIARSE LOS ATOMOS, REDUCIENDO SU MOVIMIENTO CASI AL GRADO DE DETENERLOS POR COMPLETO. EN EL LABORATORIO UTILIZAN ATOMOS DE RUBIDIO EN ESTADO GASEOSO, AUNQUE TAMBIEN SUELEN USARSE EN ESTOS EXPERIMENTOS OTROS, COMO EL CESIO QUE INCIDENTALMENTE SE EMPLEA PARA DEFINIR LA DURACION DE UN SEGUNDO, EXPLICO LINA MARIETH HOYOS, PARTICIPANTE EN EL PROYECTO. TRABAJAN CON EL RUBIDIO SIMPLEMENTE POR CUESTIONES TECNICAS, PUES RESULTA MAS ECONOMICO Y SU MANEJO ES MUY SENCILLO, AGREGO RAMIREZ MARTINEZ. UNA TRAMPA MAGNETO-OPTICA ES UN DISPOSITIVO EN EL QUE SE ENFRIAN Y CONFINAN LOS ATOMOS EN UN VOLUMEN MUY PEQUENITO. ESTA COMPUESTA POR UNA CAMARA DE VACIO EN LA QUE SE INYECTAN LOS QUE SE QUIEREN ENFRIAR, QUE EN UN PRINCIPIO SE MUEVEN MUY RAPIDO Y EN TODAS DIRECCIONES (EN PROMEDIO ALGUNOS CIENTOS DE METROS POR SEGUNDO), DEBIDO A QUE SE ENCUENTRAN A TEMPERATURA AMBIENTE. PARA INTERACTUAR CON ELLOS LA HERRAMIENTA QUE USAN Y QUE EJERCE UNA FUERZA QUE LOS FRENE AL GRADO DE CASI DETENER POR COMPLETO SU MOVIMIENTO SON LOS FOTONES DE UN HAZ LASER CON UNA LONGITUD DE ONDA MUY ESPECIFICA, EXPLICO RAMIREZ MARTINEZ. UNA VEZ AHI, DESPUES DE CIERTO TIEMPO DE SER FRENADOS POR LA LUZ, LOS ATOMOS YA NO SIENTEN LA FUERZA Y EMPIEZAN A MOVERSE A UNA VELOCIDAD TERMINAL Y CONSTANTE, EXPLICO EL INVESTIGADOR. EN ESTA FASE LOS ATOMOS ESTAN EN LA REGION DONDE LOS LASERES SE INTERSECTAN, Y SU MOVIMIENTO ES TAN LENTO QUE ES COMO SI ESTUVIERAN ATRAPADOS EN UN LIQUIDO VISCOSO, UN EFECTO QUE LOS CIENTIFICOS QUE CREARON UNA DE LAS PRIMERAS TRAMPAS MAGNETO-OPTICAS LLAMARON ‘MELAZA OPTICA’, AGREGO. SE CREAN PAREDES MAGNETO-OPTICAS PARA IMPEDIR QUE LOS ATOMOS SALGAN DE LA MALEZA OPTICA. EL INVESTIGADOR UNIVERSITARIO EXPLICO QUE CON LOS ATOMOS FRIOS SE PUEDE MEDIR CON IGUAL O MAYOR PRECISION LA ACELERACION DE LA GRAVEDAD DE LA TIERRA. AGREGO QUE CON LOS ATOMOS FRIOS PODEMOS BUSCAR YACIMIENTOS MINERALES, DE PETROLEO O RESERVAS DE AGUA. A ESO SE LE CONOCE COMO GRAVIMETRIA. PERO NO SOLO PARA HACER LA BUSQUEDA, SINO TAMBIEN PARA ADMINISTRAR ESOS YACIMIENTOS RESULTA UTIL MEDIR SI EL NIVEL DE LAS RESERVAS DE AGUA ESTA BAJANDO O SUBIENDO. ESTO LO PODEMOS DETECTAR AL MEDIR LOS CAMBIOS EN LA ACELERACION DE LA GRAVEDAD CAUSADOS POR LAS VARIACIONES DE LAS RESERVAS DE AGUA. OTRA APLICACION DE ESTOS DISPOSITIVOS CON IMPORTANTES IMPLICACIONES PARA EL BIENESTAR DE LA SOCIEDAD EN NUESTRO PAIS CONSISTE EN DETECTAR EL MOVIMIENTO DE LAS PLACAS TECTONICAS. “ES IMPORTANTE QUE LO QUE VAYAMOS A MEDIR SEA ALGO CON MASA, YA SEA DE AGUA O DE PETROLEO, PORQUE DE ESA MANERA OBTENDREMOS LA INFORMACION QUE REQUERIMOS; LO MISMO OCURRE CON EL MOVIMIENTO DE LAS PLACAS TECTONICAS. SI HAY MAS O MENOS AGUA, O SI HAY UN DESPLAZAMIENTO EN ALGUNA PLACA TECTONICA, ENTONCES, LA MASA CAMBIA Y EN TODOS LOS CASOS EL VALOR DE “G” ES DIFERENTE”, EXPLICO MARIETH HOYOS. CON UN GRAVIMETRO DE ATOMOS FRIOS PODRIA MEDIRSE COMO DISMINUYE LA MASA DE AGUA SUBTERRANEA, A QUE TASA SUCEDEN ESTOS CAMBIOS, E INCLUSO SI SE ESTA YENDO A OTRO LADO, SIN NECESIDAD DE HACER PERFORACIONES. EN EL CASO DE CIUDAD DE MEXICO, EL GRAVIMETRO DARIA INFORMACION DE CUANTO ESTA BAJANDO EL NIVEL DE AGUA EN LOS MANTOS FREATICOS Y ESTO PUEDE RELACIONARSE CON LOS HUNDIMIENTOS DEL SUELO CAUSADOS POR LA EXTRACCION EXCESIVA DE AGUA, INDICO RAMIREZ MARTINEZ.
INTEGRANTES DEL INSTITUTO DE CIENCIAS NUCLEARES CREARON UNA TRAMPA MAGNETOOPTICA PARA TOMOS -UNA DE LAS DOS QUE FUNCIONAN EN EL PAIS-, GRACIAS A LA CUAL HAN PODIDO PRODUCIR NUBES FRIAS FORMADAS POR ALREDEDOR DE 20 MILLONES DE TOMOS DE RUBIDIO 87. JOSE IGNACIO JIMENEZ MIER Y TER N, INVESTIGADOR DE DICHO INSTITUTO, EXPLICO QUE ESTAS NUBES -LA PRIMERA DE LAS CUALES OBTUVO HACE UNAS SEMANAS- SON EN EXTREMO FRIAS, SU TEMPERATURA ES DE APENAS 10 MILLONESIMAS DE GRADO POR ENCIMA DEL CERO ABSOLUTO, DONDE LOS TOMOS SE DESPLAZAN INCREIBLEMENTE LENTOS, A TRES CENTIMETROS POR SEGUNDO. SOBRE ESTE LOGRO, EL EXPERTO EXPRESO QUE SIN EL NO SE PODRIA PENSAR EN REALIZAR OTROS EXPERIMENTOS, AUN M S INTERESANTES, QUE RESPONDAN A TEMAS DE FRONTERA COMO EL COMPORTAMIENTO ATOMICO A TEMPERATURAS TAN BAJAS. POR ELLO, YA SE PLANEA PRODUCIR TOMOS FRIOS DE RB, AUNQUE EN ESTADOS EXITADOS ( TOMOS DE RYDBERG), PARA ESTUDIAR SUS PROPIEDADES. LAS APLICACIONES DE LOS TOMOS FRIOS PODRIAN SER IMPORTANTES EN EL FUTURO, COMO SU USO EN INFORMACION CU NTICA, YA QUE EN CADENAS DE TOMOS FRIOS ES POSIBLE ALMACENAR DATOS. O BIEN, ESTUDIAR EL COMPORTAMIENTO DE PLASMAS (GASES IONIZADOS) INCREIBLEMENTE FRIOS, ANADIO. EL CIENTIFICO RECORDO QUE LA TEMPERATURA SE RELACIONA CON QUE TAN R PIDO SE MUEVEN LOS TOMOS O MOLECULAS DE UN GAS. POR EJEMPLO, LOS DEL AIRE QUE SE RESPIRAN SE DESPLAZAN A 300 METROS POR SEGUNDO, PRECISAMENTE LA VELOCIDAD DEL SONIDO EN EL AIRE. LA RAPIDEZ DE ESE MOVIMIENTO IMPIDE EL ESTUDIO PRECISO DE LOS TOMOS QUE FORMAN EL GAS. EL EFECTO FISICO QUE OBSTACULIZA ESE AN LISIS DETALLADO ES EL LLAMADO DOPPLER, M S CONOCIDO EN EL SONIDO Y QUE SE PRODUCE, POR EJEMPLO, CUANDO SE OYE LA SIRENA DE UNA PATRULLA, M S AGUDA SI SE ACERCA, Y GRAVE CUANDO SE ALEJA, DETALLO. TAL FENOMENO SE DEBE A QUE CAMBIA LA FRECUENCIA, Y LO MISMO OCURRE CON LA LUZ: SI UN TOMO SE DESPLAZA, LA FRECUENCIA LUMINICA QUE PERCIBE SE MODIFICA. EN UN GAS, LOS TOMOS Y MOLECULAS SE MUEVEN POR TODOS LADOS, Y EL EFECTO DOPPLER ESTORBA PARA ESTUDIARLOS BIEN. POR ELLO, HACE ALGUNAS DECADAS Y CONTRARIO A LO QUE PUDIERA PARECER, SE PROPUSO UTILIZAR LA LUZ PARA ENFRIAR TOMOS, REFIRIO. EN CIENCIA, DIJO EL ESPECIALISTA, EL EXPERIMENTO DEBE SER REPRODUCIBLE. ASI HA OCURRIDO EN ESTE CASO, YA QUE DESDE EL 17 DE AGOSTO PASADO, DIA EN QUE SE OBTUVO LA PRIMERA NUBE, HAN SIDO FORMADAS OTRAS DE IGUAL TAMANO (ESTIMADO EN 20 MILLONES DE TOMOS) EN LOS DIAS SUBSECUENTES. EL PROYECTO, DONDE TAMBIEN PARTICIPAN EXPERTOS DE LA UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL ESTADO DE MEXICO Y DE MORELOS, CUENTA CON EL FINANCIAMIENTO DEL PROGRAMA DE APOYO A PROYECTOS DE INVESTIGACION E INNOVACION TECNOLOGICA (PAPIIT) DE LA UNAM Y DEL CONACYT.
Debido al caracter dual que presenta la materia, esta se puede comportar como un corpusculo o una onda, lo cual permite que bajo una serie de condiciones el caracter dominante sea el ondulatorio y la materia se comporte como una onda, onda de materia. Aqui radica la base de la Optica Atomica en la que luz y materia intercambian sus papeles. A diferencia de la Optica Clasica en la que la luz es el objeto propagante y la materia es empleada para guiar los haces luminicos, en la Optica Atomica la luz se emplea para modificar el estado interno de los atomos (materia) que son el objeto propagante. Gracias a la estructura interna que poseen los atomos se ganan nuevos grados de libertad internos respecto a la Optica Clasica, ofreciendo asi nuevas posibilidades. De esta forma los atomos no solo se pueden propagar, tambien pueden ser almacenados en trampas opticas, enfriados a temperaturas ultrafrias dando lugar a nuevos estados de la materia, pueden ser controlados con una gran precision, ... La presente Tesis estudia la dinamica de las ondas de materia y en particular los denominados efectos transitorios cuanticos, caracteristicas temporales que presentan las ondas de materia antes de alcanzar un estado estacionario. Ademas se analizara la dinamica de las ondas de materia en guias de onda laser, proponiendose esta configuracion como diodo atomico (dispositivo que consigue que los atomos viajen en un unico sentido independientemente de su movimiento inicial) y como simulador de reacciones quimicas colineales de 3 cuerpos. Finalmente se propondran diversas tecnicas (atajos a la adiabaticidad) para una rapida manipulacion de las ondas de materia sin alterar sus propiedades cuanticas.
La presente tesis se enmarca dentro de los campos de la Optica Cuantica y la Optica Atomica, mas especificamente en el area de atomos frios y su control y manipulacion mediante laseres. En estas ultimas decadas, estos campos han experimentado un enorme desarrollo, debido principalmente a las nuevas tecnicas que permiten el control y manipulacion de atomos. Estas tecnicas han abierto el campo de las interacciones luz - materia a estudios sobre nuevos efectos y nuevos estados de la materia como el condensado Bose-Einstein o el gas de Tonks-Girardeau.
Esta tesis esta dividida en tres partes. La primera parte estudia iones atrapados y su interaccion con laseres. Los iones quedan atrapados mediante diferentes combinaciones de campos electromagneticos, y pueden ser manipulados y controlados individualmente mediante laseres. En esta primera parte se presenta una generalizacion del concepto de sideband transitions o transiciones de banda lateral, valida para laseres de intensidad y desintonia arbitrarios. Tambien en esta primera parte de la Tesis se estudian los diferentes corrimientos de frecuencia observados en el espectro energetico de un ion atrapado iluminado con un laser.
La segunda parte esta dedicada a mostrar efectos interesantes que se producen en interferometria atomica debido al movimiento cuantico. El uso de atomos en interferometria en lugar de fotones presenta algunas ventajas. Los atomos interaccionan fuertemente con campos electromagneticos debido a su estructura interna, de forma que pueden ser manipulados y controlados de forma muy precisa. Ademas, el hecho de tener masa no nula, permite el estudio de fuerzas gravitacionales. Los efectos debidos al movimiento cuantico se estudian en un interferometro atomico de Mach-Zender, y tambien se estudia la interferometria Ramsey, mostrando que las franjas de interferencia se pueden hacer mas estrechas si los dos campos tienen frecuencias distintas y se controla su diferencia de fase.
Finalmente, la tercera parte trata algunos aspectos novedosos del Efecto Zeno Cuantico. Se comparan medidas pulsadas y continuas en un sistema optico-quantico simple, generalizando resultados anteriores.
En el ultimo capitulo de esta fase se exploran diferentes formas de controlar y manipular el decaimiento exponencial inducido por mediciones frecuentes en sistemas optico-quantico simples. Se examinan la influencia de diferentes factores como la influencia del estado inicial del atomo o el efecto de los terminos contr-rotantes cuando no se aplica la Aproximacion de Onda Rotante o Rotating Wave Approximation (RWA). En particular, a pesar de que los efectos Zeno y anti-Zeno cuanticos estan asociados a dependencias cuadraticas de la probabilidad de supervivencia, se encuentra un efecto anti-Zeno para dependencias lineales de la misma escogiendo adecuadamente el estado inicial y los parametros del laser.
En este trabajo se estudian los principios físicos y se calculan los parámetros necesarios para implementar una trampa magneto-óptica (MOT) para átomos de cesio. El estudio comienza con la evaluación de la factibilidad de atrapar los átomos mediante campos magnéticos generados por bobinas en configuración anti-Helmholtz. Posteriormente, se analiza el comportamiento del cesio en presencia de dicho campo y se calcula explícitamente el potencial de confinamiento. Se estudia también la interacción de la luz láser con los átomos para entender la fuerza de radiación y el proceso de enfriamiento láser. Se investigan las temperaturas de confinamiento alcanzables y los límites teóricos de enfriamiento, mostrando que es posible llegar a temperaturas del orden de los microKelvin. Finalmente, se examina cómo la melaza óptica y el campo magnético actúan de forma complementaria para lograr el confinamiento de los átomos de cesio. La dinámica de los átomos en la trampa puede describirse como el de un oscilador sobreamortiguado. Se espera que este trabajo siente las bases para la futura implementación experimental de una MOT para cesio en la universidad.
El estudio de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos es un area de investigacion activa. Este tipo de sistema permite fundamental estudios sobre la medicion en el contexto de las variables continuas, en entrelazamiento colectiva y en las simulaciones cuanticas. Este campo de la investigacion tambien es interesante en el contexto de la metrologia cuantica, comunicacion cuantica y la computacion cuantica. En esta tesis dos aspectos complementarios de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos han sido estudiados con iones atrapados y atomos neutros frios. El experimento de iones atrapados pretende evaluar la posibilidad de utilizar grandes nubes de iones para la realizacion de una memoria cuantica con largo tiempo de coherencia. En vez de que el experimento de atomos frios se centro en el uso de medidas de no demolicion cuantica para evaluar estados no gaussianos. Este experimento es parecido a los experimentos de comunicacion cuantica que se desarrollan actualmente. Los iones atrapados enfriados por laser pueden llegar a una fase cristalina debido a la fuerte repulsion de Coulomb entre los iones. En esta fase, las relativas posiciones entre los iones se fijan de manera a evitar las colisiones y los iones que exploran inhomogeneidades del campo magnetico que puede ser una fuente de perdida de coherencia. Con bajo numero de iones, largos tiempos de coherencia han sido demostrados. Con iones numerosos, el mecanismo de captura puede inducir un calentamiento de la nube de iones, haciendo asi mas dificil de obtener el regimen cristalizado. Durante esta tesis, los cristales de Coulomb grandes que contiene mas de 106 iones se han obtenidos y la prueba de la transparencia inducida electromagneticamente en tal sistema ha sido obtenida. Este estudio tambien revelo las limitaciones de este tipo de sistemas que tienen que ser estudiado mas a fondo para obtener una fuerte probabilidad de interaccion con conjuntos de iones frios en un regimen permitiendo largos tiempos de coherencia. Los sistemas de atomos neutros permiten fuertes probabilidades de acoplamiento luz materia, pero generalmente reduce los tiempos de coherencia. Memorias cuanticas, el entrelazamiento entre atomos y la luz, magnetometria de alta precision han sido demostrados en experimentos relacionados con vapores atomicos neutros. El sistema utilizado en esta tesis se ha disenado para permitir que la probabilidad de acoplamiento luz materia sea importante, con pulsos de luz polarizada, lo que permite medir con precision el estado de espin del sistema atomico sin destruccion y con bajo ruido. La medicion del ruido del sistema es mas baja que el ruido atomico, lo que podria inducir el entrelazamiento colectivo de los espines atomicos (a traves del squeezing de espines inducido por la medicion) y mediciones de campo magnetico ultra sensibles. Este sistema esta estrechamente relacionado con sistemas disenados para la creacion de comunicacion cuantica y memorias cuanticas. Los estados atomicos no gaussianos constituyen un recurso para la computacion cuantica y la comunicacion cuantica, en el contexto de los experimentos de fisica atomica, su deteccion puede ser dificil. El trabajo presentado en esta tesis se centra en la deteccion de los estados no gaussianos en conjuntos atomicos utilizando cumulants, y en particular el ruido relacionado con la medicion de los cumulants.
En 1985, se logró, por primera vez, enfriar átomos alcalinos utilizando luz láser. Con este mecanismo se obtuvo un gas de átomos (melaza óptica) con temperaturas del orden de 100 K. Estos resultados concordaban con el modelo teórico, en que los átomos eran considerados con dos niveles energéticos, y se enfriaban por efecto Doppler. La temperatura más baja posible (Límite Doppler) también fue corroborada. En 1988, mediciones de la melaza óptica resultaron del orden de 10 K, muy por debajo del límite Doppler. Este resultado obligó a la búsqueda de un nuevo modelo. Éste modelo, presentado por S. Chu, C. Cohen Tannoudji, y sus equipos, de forma independiente, considera: los subniveles del átomo, el desplazamiento luminoso, los gradientes de polarización y el bombeo óptico. Estos efectos combinados hacen que la energía del átomo dependa de su posición en la melaza. Como consecuencia, al atravesar la melaza, el átomo pierde más y más energía, por tanto, el gas se enfría. Este mecanismo recibió el nombre de “Enfriamiento Sísifo”.