Los editores de la revista American Journal of Physics (AJP), que es una de las publicaciones oficiales de la AAPT, consideraron relevante el artículo “One step beyond the electric dipole approximation: An experiment to observe the 5p – 6p forbidden transition in atomic rubidium”, por su aportación a las técnicas para observar transiciones prohibidas en átomos de rubidio, utilizando las trampas magneto-ópticas en las instalaciones del Laboratorio de Átomos Fríos del Instituto de Ciencias Nucleares (ICN) de la UNAM. Este artículo fue seleccionado para formar parte de la sección ‘Editors Pick’, en la que se incluyen los trabajos más destacados de cada número.

Lo que se puede, y lo que no
En la escuela nos enseñan que los átomos tienen orbitales, y que en éstos, rodeando el átomo, hay electrones. Cierta cantidad de electrones están acomodados en cada orbital del átomo, de forma muy precisa. El átomo de hidrógeno tiene sólo un orbital, y un solo electrón. En cambio, el átomo de carbono tiene dos orbitales, con dos electrones en el orbital interior, y cuatro en el exterior. 

Para que un electrón “brinque” de un orbital a otro, es necesario que metamos una cantidad exacta de energía. Estos saltos se pueden producir “iluminando” a los átomos con colores (frecuencias) de luz bien definidas. Cuando el electrón pasa de un orbital de menor energía a uno de mayor energía, lo hace absorbiendo luz.

Por el contrario, si el electrón brinca de un orbital de más energía a uno de menos energía el átomo emitirá luz de un color determinado.

Orbitar desde la mecánica cuántica

Ahora bien, la mecánica cuántica es más precisa: dice que en el proceso de absorción o emisión de luz, el electrón no es que se encuentre ni en el orbital bajo ni en el alto, sino en una superposición de estos orbitales. La mecánica cuántica también permite decir que los saltos, llamados transiciones, son más probables cuando producen dipolos en el átomo al momento de la superposición, es decir, cuando el resultado es un estado en el que existe un polo positivo (el núcleo atómico) y un polo negativo (la nube de electrones), que oscila en el tiempo.

Si con dos orbitales de un átomo no se puede producir un dipolo, entonces decimos que la transición entre los dos estados está prohibida, aunque en realidad esto significa que es mucho menos probable. ¿Qué tanto? Como diez millones de veces menos probable. En la animación se muestra el resultado de una transición prohibida, la cual  produce cuatro polos oscilantes en lugar de dos.

Con la ayuda de láseres

Con una fuente de luz común, digamos un foco, la cantidad de luz que se produce a una frecuencia dada es muy pequeña, y por tanto es muy difícil utilizarla para estudiar transiciones prohibidas. Con un láser, por el contrario, se puede producir mucha luz con un color muy puro con la que se pueden estudiar transiciones prohibidas.

En el Laboratorio de Átomos Fríos del ICN, los investigadores identificaron que en el átomo de rubidio hay dos estados (orbitales) entre los que ocurre una transición prohibida con un color de luz que se produce con diodos láser comerciales (como los que se encuentran en los lectores de DVD). Para producir este salto improbable, el grupo de investigación tuvo que construir y controlar con mucha precisión la frecuencia y la intensidad de este láser, es decir, alumbrar a los átomos de rubidio con la cantidad precisa de luz del color adecuado.

Uno de los problemas a los que se enfrentó el equipo fue que esta transición prohibida no era un salto sencillo, sino un “doble mortal” que se tenía que ejecutar en dos pasos. No todos los átomos lograban completar las dos fases de la pirueta, a pesar de que se les estimuló con la luz adecuada. De hecho la parte más difícil parecía ser el inicio, pues la mayoría no lograban completar la primera fase. Los investigadores solucionaron esto ayudando un poco a los átomos con un segundo láser de un color diferente,  para darles un empujón inicial extra. Ninguno de los dos colores que se utilizaron son visibles para los humanos, pero una señal de que ambos láseres están interactuando adecuadamente es que los átomos empiezan a emitir luz de color azul.

Las transiciones prohibidas, según la mecánica cuántica, son los movimientos de los electrones en los orbitales del átomo, pero a diferencia de las transiciones comunes como las descritas arriba, estos brincos no siguen la ruta energética más eficiente, por lo que es casi imposible que ocurran. Por esta razón, si bien en teoría es posible identificar transciones prohibidas, en los laboratorios se han podido observar muy pocas.

¿Por qué este experimento es interesante para los maestros de física?

El experimento para medir la transición prohibida en rubidio requirió la participación de estudiantes de la licenciatura en física de la Facultad de Ciencias de la UNAM. Unos se encargaron de la fabricación y la caracterización del láser. Otros tuvieron la tarea de producir los átomos en el estado desde el que se inicia la transición prohibida. El tercer grupo se dedicó a optimizar la detección de la luz azul que significaba que la transición prohibida estaba ocurriendo.

Esta experiencia, junto con el hecho de que el estudio de transiciones prohibidas es algo fundamental en la física atómica, motivó al grupo de trabajo a proponer que el experimento pueda ser realizado por otros laboratorios de enseñanza de la física del Mundo.  

El artículo en cuestión se publicó en el portal web de la revista en diciembre de 2017 y se incluyó en la sección de artículos destacados en enero de 2018. Dicho documento reporta los resultados del trabajo realizado por los estudiantes F. Ponciano Ojeda, S. Hernández Gómez, C. Mojica Casique, E. Ruiz-Martínez, y O. López Hernández, bajo la supervisión y dirección de los investigadores José Jiménez Mier y Terán, Fernando Ramírez Martínez y Jesús Flores Mijangos del ICN, así como del Dr. Daniel Sahagún y la Dra. Rocío Jáuregui del Instituto de Física.

AJP es una revista que se especializa en cubrir las necesidades e intereses académicos de los estudiantes y los profesores universitarios de física, con la publicación de artículos interesantes, útiles y accesibles para su público meta. En este rubro, AJP es una de las revistas más reconocidas a nivel mundial, por lo que la comunidad del ICN felicita a los estudiantes y académicos que colaboraron en esta investigación por su labor ejemplar.

TEXTO: Jiménez, J (ICN-UNAM); Unidad de Comunicación de la Ciencia, ICN-UNAM