Materia Ultrafría

En el Laboratorio de Materia Ultrafría (LMU) hemos construido un nuevo sistema experimental para producir y estudiar gases atómicos ultrafríos compuestos por átomos de litio. Específicamente, utilizamos el isótopo ⁶Li, el cual es un fermión. Este isótopo presenta una amplia resonancia magnética de Feshbach, lo que significa que, mediante un campo magnético externo, tenemos el control total de las interacciones interatómicas. Esto hace posible acceder a regímenes de interacción muy diferentes, desde sistemas que interactúan débilmente hasta sistemas que interactúan fuertemente, desde un gas repulsivo hasta uno atractivo.

El control de las interacciones interatómicas es de gran interés ya que esto hace posible la creación de pares atómicos de diferentes naturalezas, desde moléculas bosónicas fuertemente ligadas, hasta pares de Cooper débilmente acoplados. Esto permite la aparición de estados cuánticos muy diferentes: mientras que lo pares moleculares pueden dar origen a la condensación de Bose-Einstein (BEC), los pares de Cooper generan un estado similar al que ocurre en un superconductor, conocido como “estado BCS”. Estos estados se encuentran conectados por medio de un regimen fuertemente interactuante conocido como “cruce BEC-BCS”. Una de las características más interesantes de todos estos regímenes es la ocurrencia del fenómeno de la superfluidez, un estado cuántico macroscópico en el que el gas puede fluir sin ninguna viscosidad.

El entendimiento del cruce BEC-BCS es en la actualidad un tema de investigación muy relevante en el área de los gases cuánticos debido a su estrecha conexión con otros fenómenos en física de la materia condensada, como es el caso de la superconductividad de alta temperatura. No obstante, por tratarse de un régimen fuertemente interactuante y fuertemente correlacionado, presenta desafíos muy importantes en su estudio tanto desde la perspectiva teórica como experimental, de ahí la relevancia de contar con un sistema experimental robusto y versátil para explorarlo.

Una estrategia poderosa para entender estos sistemas es la producción y estudio de excitaciones colectivas, ya que éstas se encuentran íntimamente relacionadas con las propiedades microscópicas del superfluido. Así, uno de los objetivos principales de nuestro laboratorio es el estudio de las diferentes excitaciones colectivas que pueden generarse en estos sistemas.

En la actualidad, investigamos un tipo particular de excitación conocida como “Ondas de Faraday” que consisten en un patrón espacial y temporalmente periódico que se genera en la densidad del fluido al perturbarlo paramétricamente. Este fenómeno es interesante debido a la relación que guarda con otras fenomenologías, como los cristales de tiempo, o la física de Floquet. Las ondas de Faraday también pueden utilizarse como una herramienta para explorar la propiedades microscópicas del gas, como es el caso del espectro de excitaciones elementales, o bien, como hemos demostrado recientemente, para medir la velocidad del sonido en el superfluido.

Publicaciones

Artículos

• Homemade open-source full-Stokes polarimeter based on division of amplitude - Optica Open Preprint
• Faraday waves in strongly interacting superfluids - New J. Phys. 23, 103038 (2021)
• Experimental setup for the production of ultracold Fermi superfluids of ⁶Li - Rev. Mex. Fís. 66, 388 (2020)
• Creation of optical speckle by randomizing a vortex-lattice - Optics Express 27, 4105 (2019)
• Connecting Dissipation and Phase Slips in a Josephson Junction between Fermionic Superfluids - Phys. Rev. Lett. 120, 025302 (2018)
• Global thermodynamics of confined inhomogeneous dilute gases: A semi-classical approach - AIP. Conf. Proc. 1950, 030006 (2018)
• Critical properties of weakly interacting Bose gases as modified by a harmonic confinement - J. Stat. Mech. 073101 (2017)

Tesis

Tesis de Maestría

• Diego Hernández Rajkov - (2021) Non-destructive and high resolution imaging techniques for studying ultracold quantum gases
• José Eduardo Padilla Castillo - (2021) Time-averaged optical potentials for trapping and manipulating ultracold quantum ⁶Li gases

Tesis de Licenciatura

• Mario César Uyoa López - (2024) Algoritmos para el análisis de imágenes de gases ultrafríos de ⁶Li
• Patricio Vargas Vélez - (2022) Objetivo de microscopio de alta resolución para diagnóstico y manipulación de sistemas ultrafríos
• Sebastián Alejandro Morales Ramírez - (2022) Diseño y construcción de un amplificador láser para la implementación de técnicas de enfriamiento para gases de 6-Li
• Andrés Gutiérrez Valdés - (2020) Estudio de transiciones hiperfinas en un gas cuántico de litio
• Diego Hernández Rajkov - (2018) Enfriamiento Doppler y sub-Doppler de un gas atómico de litio-6
• Eduardo Ibarra García Padilla - (2016) Diseño de los sistemas de ultra-alto vacío y de control para experimentos con gases cuánticos de litio
• Jesús Ernesto Carro Martínez - (2016) Diseño y proyección de trampas magnéticas y ópticas para experimentos de gases ultrafríos de litio

Infraestructura

En el Laboratorio de Materia Ultrafría producimos e investigamos muestras cuánticas en estado superfluido compuestas por átomos de ⁶Li a una temperatura del orden de 10 nK. Para ello se dispone de un sistema de ultra-alto vacío en donde se producen las muestras, el cual se bombea mediante tres bombas iónicas. Los átomos se enfrían y se observan utilizando luz láser generada por láseres de diodo cuya longitud de onda de emisión es de 670.9 nm. Adicionalmente contamos con sistemas de captura atómica basados en la producción de campos magnéticos y ópticos. Estos últimos se generan con un láser de fibra dopado con iterbio que emite una longitud de onda de 1070 nm. Adicionalmente, se cuenta con otro sistema láser basado en diodos amplificadores, que emite longitudes de onda de 532 nm y 1064 nm, que se utilizan para generar potenciales ópticos con geometría arbitraria. El control fino de la longitud de onda de nuestros láseres se realiza mediante moduladores acústico-ópticos operados con circuitos de radiofrecuencia del orden de cientos de megahertz. El experimento se automatiza mediante un circuito integrado FPGA con una resolución temporal de 1 µs. Finalmente, se dispone de una cámara CCD de bajo ruido para producir las imágenes de las muestras, esta constituye nuestro principal instrumento de diagnóstico.

Colaboraciones