català | castellano | english home   sitemap   avís legal   crèdits   contacte  
home home

Gaspar Orriols

"An experimental method for the observation of R. F. transitions and laser beat resonances in oriented Na vapour". Il Nuovo Cimento B, vol. 36 (1976), p. 5-20

"Non-absorbing atomic coherences by coherent 2-photon transitions in a 3-level system" Lettere al Nuovo Cimento, vol. 17 (1976), p.333

"Nonabsorption resonances by nonlinear coherent effects in a three-level system". Il Nuovo Cimento B, vol. 53 (1979), p. 1-24

"Nonabsorption hyperfine resonances in a sodium vapour irradiated by a multimode dye laser". Il Nuovo Cimento B, vol. 52 (1979), p. 209-218


Els treballs motiu d'aquestes ratlles estan dedicats a l'estudi de fenòmens d'interacció entre vapor d’àtoms de sodi i les radiacions electromagnètiques d'un làser de llum groga i d'oscil·ladors de radiofreqüència. Podem situar-los dins de l'espectroscòpia atòmica fent referència als anomenats mètodes òptics de l'espectroscòpia de radiofreqüència, tot un conjunt de tècniques desenvolupades amb l'objectiu d'estudiar l'estructura hiperfina dels estats electrònics atòmics. En podem esmentar com a significatives: l'efecte Hanle (Hanle, 1924), el bombeig òptic (Kastler, 1950), la doble ressonància (Brossel i Bitter, 1952), l'encreuament de nivells (Franken, 1959), l’excitació amb llum modulada a una freqüència de l'estat fonamental (Bell i Bloom, 1961) o de l'estat excitat (Corney, 1968), i els batements quàntics en la llum fluorescència (Aleksandrov, 1963). Cadascun d'aquests mètodes fa servir la llum per a dues coses: per a preparar el gas d'àtoms de manera que unes transicions de baixa freqüència determinades hi resultin afavorides i, alhora, per a detectar més fàcilment les ressonàncies induïdes sobre aquestes transicions gràcies al fet que un fotó òptic conté molta més energia que un fotó de radiofreqüència.

Convé recordar que, en equilibri tèrmic, les poblacions dels estats atòmics segueixen la distribució de Boltzmann, i això fa tant petita la diferència de poblacions en una transició de ràdio que la seva observació directa només és factible en mostres denses, siguin líquides o sòlides. Aconseguir-ho en gasos diluïts va ser el mèrit dels mètodes òptics que comentem. En alguns d'aquests mètodes, la llum accentua la diferència de poblacions entre els nivells de transició a estudiar i d'aquesta manera afavoreix la ressonància induïda pel camp de baixa freqüència. En uns altres casos el que fa la llum és introduir un estat macroscòpic coherent, superposició dels dos estats de la transició de baixa freqüència.

Els mètodes òptics de l'espectroscòpica de radiofreqüència van representar el pas de fer espectroscòpia de llum a fer espectroscòpia amb la llum, i això s'ha anant accentuant a mesura que s'han desenvolupat les diverses tècniques d'espectroscòpia làser. El làser, aparegut a principis dels anys seixanta, va ser fruit del treball de gent dedicada als problemes d'interacció radiació-matèria en els dominis del visible i de les microones, i ha resultat un fill agraït que ha donat molt a la seva mare espectroscòpica. Això malgrat que la propietat més intrínseca de la llum làser, la coherència espacial, no ha estat pas la més aprofitada. En canvi, la bona direccionalitat del feix, les fortes densitats espectrals d'energia i la possibilitat d'una extrema monocromaticitat han permès arribar a jugar amb els àtoms determinat. En aquest sentit, l'aparició del làser sintonitzable de colorants a principis dels anys setanta va representar la llum per a espectroscopistes. Concretament, el làser de rodamina va permetre sintonitzar sobre les ratlles grogues del sodi i durant una colla d'anys molts laboratoris van dedicar esforços a fer experiments amb vapors de sodi.

En particular, un dels primers laboratoris europeus que van disposar d'un làser de colorants va ser l'Institut de Física Atòmica i Molecular del CNR, situat uns quants carrers més enllà de la torre inclinada de Pisa, on hi havia un grup dedicat a l'espectroscòpia làser dirigit per Gerardo Alzetta i Adriano Gozzini i amb una colla de joves llicenciats, entre els quals em vaig trobar jo mateix a partir de l'any 1975. En aquell moment, el grup feia espectroscòpia de molècules alcalines a partir de la fluorescència induïda per làser i estudiava la influència de l'orientació atòmica induïda per bombeig òptic sobre el procés de formació de molècules, així com les conseqüències de les col·lisions entre àtoms i molècules en estat excitat. També s'hi desenvolupa un mètode d'observació visual dels fenòmens de ressonància magnètica en un vapor de sodi orientat òpticament, una experiència que va donar lloc a la meva tesi doctoral i a les quatre publicacions que comentem. La idea és ben senzilla, però només se li podia ocórrer a un italià.

Hem de començar explicant com és un experiment típic de bombeig òptic. Tenim un vapor atòmic travessat per un feix de llum ressonant polaritzada circularment i sotmès a un camp magnètic estàtic uniforme. La conservació del moment angular implica una excitació selectiva que, juntament amb la recaiguda isòtropa de l'emissió espontània, tendeix a acumular tots els àtoms en un cert subnivell Zeeman de l'estat fonamental. Aquest subnivell correspon a una orientació determinada del moment angular i els àtoms no hi absorbeixen la llum polaritzada ni generen fluorescència. En aquestes condicions, si apliquem un camp de radiofreqüència i ajustem la separació entre subnivells Zeeman mitjançant una escombrada del valor del camp magnètic, podrem observar un espectre de ressonància magnètica. Les transicions des del subnivell poblat a qualsevol altre subnivell provoquen un augment de l'absorció de llum i de la fluorescència i, d'aquesta manera, les ressonàncies poden ser observables òpticament. Amb la llum d'un làser el fenomen pot ser observat còmodament, i amb aquest objectiu el grup de Pisa va començar a treballar.

La idea lluminosa - desconec si va ser d'Alzetta o de Gozzini - consisteix a deixar-se de camps magnètics uniformes amb les corresponents escombrades en el temps i fer tot el contrari: aplicar un camp magnètic especialment variable de manera que l'espectre de ressonància magnètica aparegui distribuït sobre el camí fluorescent del feix làser. D'altra banda, com que el centre del feix làser la intensitat és més elevada que a les vores, la dimensió radial del feix posa en evidència els efectes radiatius induïts per la llum sobre les ressonàncies magnètiques. És a dir, el mètode permet observar d'un cop d'ull les característiques de les ressonàncies de baixa freqüència en funció de dues variables distribuïdes a l'espai: el camp magnètic i la intensitat lluminosa. Això del "cop d'ull" és molt important, ja que significa que l'observador recull molta informació i que no solament pot treballar més ràpidament, sinó que pot veure coses que d'una altra manera no veuria. No és un mètode per a fer mesures, sinó per a observar i, de fet, per a divertir-se.

Ara bé, la qüestió prèvia és com ha de ser la llum làser a fi d'aconseguir una bona excitació del vapor. Hem de tenir en compte que la transició òptica d'un àtom de sodi presenta una amplada natural d'uns 10 MHz, però, en el gas, l'efecte Doppler i la dispersió de velocitats atòmiques desplacen les ratlles d'uns àtoms respecte a les dels altres i en resulta una amplada conjunta de l'ordre del GHz. És a dir, l'extinció global del vapor requereix llum amb un espectre que cobreixi el GHz en qüestió, i aconseguir això amb llum làser no és evident. En el nostre cas vam utilitzar un làser multimode que cobria una amplada de 35 GHz, però que manté ben determinada la separació entre modes perquè aquests fluctuen junts.

La resta de l'experiment és senzill: un joc asimètric de bobines que permeti  crear el camp magnètic estàtic amb un cert gradient espacial i un joc aparellat de bobines que indueixi el camp de radiofreqüència. Llavors, una ressonància magnètica de radiofreqüència es veu en una llentia lluminosa suspesa en la traça de fluorescència que el feix làser deixa en el vapor orientat. La convexitat de la llentia augmenta amb la potència del làser i, d'altra banda, la llentia es transforma gradualment en un con quan la sintonia espectral entre la llum i la transició atòmica és desajustada asimètricament. Aquests efectes posen en evidència l'eixamplament i el desplaçament radiatius produïts per la llum sobre els subnivells Zeeman de la ressonància magnètica. Augmentant la potència del camp de ràdio, s'aprecien un eixamplament global de la llentia i l'aparició d'unes altres ressonàncies veïnes que corresponen a transicions a dos, tres i quatre fotons. Aplicant-hi camps de microones, es poden veure transicions dins de l'estructura hiperfina i amb els dos camps de baixa freqüència alhora es poden veure transicions multifotòniques híbrides amb un fotó gros i uns quants de petits.

Amb tots aquests fenòmens, que al llarg d'un any m'havia dedicat a observar i caracteritzar, pensava tenir ja material suficient per a la tesi, i així ho vaig plantejar a Alzetta; però ell, conscient que no hi havia prou originalitat en tot allò, em va dir: "In ogni caso, ç'è ancora il fenomeno della riga nera." caram, tenia un secret! I, de la manera com ho va dir, vaig comprendre immediatament que es tractava d'un tresor. Aquell dia em va fer el millor regal que he tingut en la meva vida.

Resulta que, utilitzant un feix làser com el que hem descrit, en el rastre de llum de fluorescència es poden observar unes línies fosques més primes que les llenties lluminoses de les ressonàncies de radiofrequència, i cada una a un valor ben definit del camp magnètic. Es tracta de ressonàncies magnètiques a baixa freqüència induïdes directament pel làser. La negror de les ratlles depèn de la direcció del camp magnètic respecte a la del feix làser i cada una varia d'una manera diferent de les altres. Apropant-hi l'imant de manera que el vapor es trobi sotmès a camps de centenars de grauss , es pot observar il boschetto: una espectacular munió de ratlles discretes, unes de brillants i unes de fosques, i amb una estructura complexa molt sensible a les condicions de treball de l'oscil·lador làser.

El fenomen essencial és al ratlla negra: una ressonància sobre una transició entre subnivells de l'estat fonamental induïda òpticament gràcies al fet que la llum làser conté freqüències òptiques separades de la freqüència de la transició.  la ressonància produeix una disminució molt pronunciada de l'absorció de llum i, en conseqüència, de la fluorescència. La causa és que, en condicions de ressonància, els àtoms es col·loquen en un estat de superposició dels dos autoestats  de l’energia i es comporten com a no absorbents a causa d'una interferència destructiva entre els dos canals d'excitació òptica. Tenim un estat macroscòpic coherent, en el qual tots els àtoms evolucionen en fase entre si d'acord amb la fase relativa entre els dos camps òptics. És un fenomen no lineal perquè involucra dues transicions òptiques, però s'esdevé amb potències de llum molt petites gràcies al fet que treballa un mecanisme d'acumulació tipus bombeig òptic. D'altra banda, la ressonància no és afectada per l'amplada natural de les transicions òptiques i, a més a més, és insensible a l'efecte Doppler, ja que els dos camps òptics copropagants compensen mútuament els seus efectes.

En definitiva, l'acumulació d'àtoms en un estat no absorbent o estat fosc és un efecte ressonant, coherent i no lineal amb dues peculiaritats no gaire corrents. D'una banda, és un fenomen fort i robust i, de l'altra, és un efecte bastant general. Això ha motivat que hagi estat i sigui encara objecte d'interès amb relació a una notable varietat de temàtiques, com ara l'espectroscòpia làser d'alta resolució, la ionització multifotònica, els rellotges atòmics o estàndards de freqüència, els magnetòmetres d'alta sensibilitat, la conjugació de fase per barreja de quatre ones, la biestabilitat òptica i algunes altres inestabilitats dinàmiques, la transparència induïda electromagnèticament, els índex de refracció elevats sense absorció, la interferometria, la producció de llum en estats no clàssic, el refredament d'àtoms amb làser, l'amplificador làser sense inversió de població.

De totes aquestes aplicacions, la que ha tingut més transcendència ha estat el refredament d'àtoms, ja que va constituir un dels motius del Premi Nobel de Física a Claude Cohen-Tanoudji l'any 1997. El grup de Cohen-Tanoudji va fer servir els estats no absorbents per a eludir el reescalfament a causa del retruc de l'emissió espontània, el qual semblava un límit insuperable en els mètodes de refredament amb llum. La idea es basa en produir l'estat fosc amb dues llums contrapropagants en lloc de copropagants, de manera que hi hagi molta sensibilitat a l'efecte Doppler i només s'hi acumulin els àtoms que no es mouen en la direcció dels feixos làser. Així, els àtoms van quedant atrapats en un estat no absorbent i de velocitat nul·la en la direcció de la llum. Un àtom que es mogui començarà a absorbir i a remetre llum fins que quedi en repòs, i, així, s'hi van acumulant tots els àtoms i s'han assolit temperatures inferiors a 10-6 K.

Per acabar, deixeu-me explicar que les meves aportacions al fenomen de la ratlla negra van ser caracteritzar-lo experimentalment - juntament amb Luigi Moi -, intuir-ne una interpretació física en termes de la interferència quàntica entre els dos canals d'excitació - basant-me en les idees més clàssiques de Gozzini i Alzetta - i desenvolupar-ne un model teòric semiclàssic amb l'ajuda d'Ennio Arimondo i a partir d'un suggeriment de Rodolfo Bonifacio. També vaig introduir el nom ressonàncies de no-absorció, que, després de ser utilitzat durant uns quants anys, va ser substituït de mica en micaper la denominació actual atrapament coherent de població.

Finalment, vull recordar que la riga nera va ser observada per primera vegada per Gerardo Alzetta i que més gent vam treballar prop d'un any amb el mateix muntatge experimental, però no la veiérem fins que ell ens la va mostrar. Dic això, perquè Alzetta, de tots els qui vàrem participar en aquella investigació, és qui menys reconeixements ha rebut i és qui més mèrit hi va tenir.


Gaspar Orriols
Departament de Física
Facultat de Ciències
Universitat Autònoma de Barcelona


 


Font:


ROVIRA, Lluis; SENRA, Pau; JOU, David. Estudis bibliomètrics sobre la recerca en física a Catalunya. Barcelona: Institut D'Estudis Catalans, Arxius de les Seccions de Ciències, 2001. 68-72 p. ISBN 84-7283-577-4


 




bottom