En física experimental, una trampa magnètica és un aparell que utilitza un gradient de camp magnètic per atrapar partícules neutres amb moments magnètics. Tot i que aquestes trampes s'han emprat per a molts propòsits en la investigació física, són més conegudes com l'última etapa en el refredament dels àtoms per aconseguir la condensació de Bose-Einstein. La trampa magnètica (com a forma d'atrapar àtoms molt freds) va ser proposada per primera vegada per David E. Pritchard.

Principi de funcionament Molts àtoms tenen un moment magnètic; la seva energia canvia en un camp magnètic segons la fórmula

.

Segons els principis de la mecànica quàntica, el moment magnètic d'un àtom es quantifica; és a dir, prendrà un de certs valors discrets. Si l'àtom es col·loca en un camp magnètic fort, el seu moment magnètic s'alinearà amb el camp. Si es col·loquen diversos àtoms al mateix camp, es distribuiran entre els diversos valors permesos del nombre quàntic magnètic per a aquest àtom.

Si un gradient de camp magnètic se superposa al camp uniforme, aquells àtoms els moments magnètics dels quals estan alineats amb el camp tindran energies més baixes en un camp més alt. Com una pilota que roda per un turó, aquests àtoms tendiran a ocupar ubicacions amb camps més alts i es coneixen com a àtoms "de cerca de camp alt". Per contra, aquells àtoms amb moments magnètics alineats oposats al camp tindran energies més altes en un camp més alt, tendeixen a ocupar ubicacions amb camps més baixos i es coneixen com a àtoms "de cerca de camp baix".

És impossible produir un màxim local de la magnitud del camp magnètic en l'espai lliure; tanmateix, es pot produir un mínim local. Aquest mínim pot atrapar àtoms que busquen un camp baix si no tenen prou energia cinètica per escapar del mínim. Normalment, les trampes magnètiques tenen mínims de camp relativament poc profunds i només poden atrapar àtoms les energies cinètiques dels quals corresponen a temperatures d'una fracció de kelvin. Els mínims de camp necessaris per a l'atrapament magnètic es poden produir de diverses maneres. Aquestes inclouen trampes d'imants permanents, trampes de configuració Ioffe, trampes QUIC i altres.

Trampa d'àtoms de microxip miniatura|110x110px|Trampa atòmica de microxip desenvolupada a ILS el 2005 La magnitud mínima del camp magnètic es pot aconseguir amb el "microxip d'àtoms". Una de les primeres trampes atòmiques de microxips es mostra a la dreta. El conductor en forma de Z (en realitat, la tira daurada en forma de Z pintada a la superfície de Si) es col·loca al camp magnètic uniforme (la font del camp no es mostra a la figura). Només es van atrapar àtoms amb energia de camp d'espín positiva. Per evitar la barreja d'estats d'espín, el camp magnètic extern es va inclinar en el pla del xip, proporcionant la rotació adiabàtica de l'espín en el moviment de l'àtom. En la primera aproximació, la magnitud (però no l'orientació) del camp magnètic és responsable de l'energia efectiva de l'àtom atrapat. El xip que es mostra és de 2 cm x 2 cm; aquesta mida es va triar per facilitar-ne la fabricació. En principi, la mida d'aquestes trampes de microxips es pot reduir dràsticament. Es pot fabricar una matriu d'aquestes trampes amb mètodes litogràfics convencionals; aquesta matriu es considera un prototip d'una cel·la de memòria de qubit per a l'ordinador quàntic. S'estan desenvolupant maneres de transferir àtoms i/o qubits entre trampes; s'assumeix el control òptic adiabàtic (amb freqüències fora de ressonància) i/o elèctric (amb elèctrodes addicionals).

Aplicacions en la condensació de Bose-Einstein La condensació de Bose-Einstein (BEC) requereix condicions de densitat molt baixa i temperatura molt baixa en un gas d'àtoms. El refredament amb làser en una trampa magnetoòptica (MOT) s'utilitza normalment per refredar àtoms fins al rang de microkelvin. Tanmateix, el refredament amb làser està limitat pels retrocessos de moment que un àtom rep dels fotons individuals. Aconseguir la BEC requereix refredar els àtoms més enllà dels límits del refredament amb làser, la qual cosa significa que els làsers utilitzats al MOT s'han d'apagar i s'ha d'idear un nou mètode de captura. Les trampes magnètiques s'han utilitzat per retenir àtoms molt freds, mentre que el refredament evaporatiu ha reduït la temperatura dels àtoms prou per assolir la BEC.

Referències

Categoria:Física atòmica