Koldere: hvordan fysikere slog den teoretiske grænse for laserkøling og lagde grundlaget for en kvanterevolution – Physics World

I slutningen af ​​1960'erne begyndte et lille samfund af forskere at bruge kræfter fra lys til at skubbe små genstande rundt. Inden for det næste årti udvidede feltet sig til at omfatte laserkøling, en kraftfuld teknik, der udnytter Doppler-skift at producere en kraft, der kun kan bremse objekter ned, og aldrig fremskynde dem. Som årene gik, udviklede disse nye laserkølingseksperimenter sig langs de to parallelle spor – ioner og atomer – udforsket i del 1 af denne serie: "Kold: hvordan fysikere lærte at manipulere og flytte partikler med laserkøling".

På mange måder havde ioner en tidlig fordel. På grund af deres elektriske ladning oplever de elektromagnetiske kræfter, som er stærke nok til at de kan blive fanget i elektromagnetiske fælder ved høje temperaturer og afkølet af lasere ved ultraviolette bølgelængder. I 1981 havde ionfangere forfinet denne teknik til det punkt, hvor de kunne fange og detektere enkelte ioner og udføre spektroskopi på dem med hidtil uset præcision.

Atomer skal derimod bremses, før de kan fanges af svagere kræfter, der udøves af lys og magnetiske felter. Alligevel i 1985 Bill Phillips og kolleger på US National Bureau of Standards i Gaithersburg, Maryland, havde brugt lys til at bremse en stråle af natriumatomer til næsten at stoppe, og derefter indespærret dem i en magnetisk fælde. Ud over det syntes den største udfordring for potentielle atomtæmmere at involvere at bygge videre på dette arbejde for at gøre indfangning af neutrale atomer mere effektiv og skubbe grænserne for selve afkølingsprocessen.

Begge projekter ville lykkes ud over nogens forventninger. Og ligesom vi så i del 1, går rødderne til denne succes tilbage til Arthur Ashkin at Bell Labs.

God idé, utilstrækkelig udførelse

Da vi sidst mødte Ashkin, var det 1970, og han havde netop udviklet den "optiske pincet"-teknik, der ville vinde ham en Nobelpris næsten 50 år senere. I slutningen af ​​1970'erne arbejdede han sammen med sine Bell Labs-kolleger på eksperimenter, der involverede en atomstråle. “Rick Freeman havde en atomstrålemaskine, og jeg havde nogle eksperimenter, der ville være interessante at lave med en atomstråle, men jeg var ikke så begejstret for at bygge en atomstrålemaskine,” husker Ashkins daværende kollega John Bjorkholm.

Ved at overlappe en laserstråle med strålen af ​​atomer viste Ashkin og Bjorkholm, at det var muligt at fokusere eller defokusere atomerne ved at justere lysets frekvens. Med laseren indstillet til det røde - med en lidt lavere frekvens, end atomerne "ønsker" at absorbere - ville interaktionen mellem atomer og lys sænke atomernes indre energi ("lysskiftet") og trække atomer ind i laserstrålen. Med laseren indstillet til det blå, blev atomerne skubbet ud.

Ashkin havde flere ideer til at gøre dette fænomen til en "helt optisk" metode til at fange atomer (det vil sige uden de magnetiske felter, Phillips' gruppe brugte). Desværre kæmpede Ashkin og Bjorkholm for at implementere det, fordi Freemans atomstråle var bygget med plexiglasvinduer, der ikke kunne holde til lave nok tryk. De atomer og molekyler, der lækkede ind udefra, blev ikke påvirket af de kølende lasere, og som et resultat, da de kolliderede med atomer i strålen, sparkede de målatomerne ud af fælden. Efter et par år med skuffende resultater, blev Bell Labs lederskab sur på eksperimenterne og pressede Ashkin til at forfølge andre ting.

Svømmere i en viskøs væske

Omkring dette tidspunkt flyttede en ung forsker med et (selv-beskrevet) ry som "en fyr, der kunne få lavet vanskelige eksperimenter" ind på et kontor nær Ashkin's i Bell Labs' Holmdel-anlæg. Han hed Steve Chu, og han blev interesseret i Ashkins ideer. Sammen byggede de et ultrahøjt vakuumsystem, der var egnet til atomafkøling og -indfangning, plus et system til at bremse natriumatomer ved hurtigt at feje laserfrekvensen for at kompensere for det skiftende Doppler-skift. Sidstnævnte teknik er kendt som "chirp cooling"; ved et lykkeligt tilfælde var videnskabsmændene, der udviklede en af ​​dens nøgleteknologier, også på Holmdel.

På dette tidspunkt foreslog Chu, at de forkølede atomerne ved at belyse dem med tre vinkelrette par af mod-udbredende laserstråler, alle indstillet til en frekvens lige under atomernes overgangsfrekvens som diskuteret i del 1. Denne konfiguration giver en kølekraft i alle tre dimensioner samtidigt: et atom, der bevæger sig op, ser den nedadgående laserstråle Doppler flyttet op, absorberer fotoner og sænker farten; et atom, der bevæger sig til venstre, ser fotoner i den højregående stråle flyttet op, og så videre. Uanset hvilken vej atomerne bevæger sig, føler de en kraft, der modarbejder deres bevægelse. Ligheden med en svømmers situation i en viskøs væske fik Chu til at døbe det "optisk melasse" (figur 1).

Bell Labs-holdet demonstrerede optisk melasse i 1985 og indsamlede tusindvis af atomer fra en kvidreafkølet stråle. Som det sømmer sig navnet, var den optiske melasse meget "klæbende" og holdt atomer i de overlappende bjælker i omkring en tiendedel af et sekund (praktisk talt en evighed i atomfysik), før de vandrede ud. Mens de er i melasseregionen, absorberer atomerne konstant og genudsender lys fra de kølende lasere, så de fremstår som en diffus glødende sky. Den samlede mængde lys gav et let mål for antallet af atomer.

Ashkin, Chu og deres samarbejdspartnere var også i stand til at estimere atomernes temperatur. Det gjorde de ved at måle, hvor mange atomer der var i melassen, slukke lyset i kort tid, derefter tænde det igen og måle tallet igen. I det mørke interval ville atomskyen udvide sig, og nogle atomer ville undslippe området for melassestrålerne. Denne flugthastighed gjorde det muligt for holdet at beregne atomernes temperatur: omkring 240 mikrokelvin - lige på linje med det forventede minimum for laserkølede natriumatomer.

At gøre melasse til en fælde

På trods af sin klæbrighed er optisk melasse ikke en fælde. Selvom det bremser atomerne, kan de undslippe, når først atomerne driver til kanten af ​​laserstrålerne. En fælde derimod leverer en kraft, der afhænger af position, og skubber atomer tilbage til et centralt område.

Den enkleste måde at skabe en fælde på er med en stramt fokuseret laserstråle, svarende til den optiske pincet, som Ashkin udviklede til at fange mikroskopiske genstande. Mens volumenet af laserfokus er en lille brøkdel af melassevolumenet, indså Ashkin, Bjorkholm og (uafhængigt) Chu, at et betydeligt antal atomer alligevel kunne akkumulere i en sådan fælde gennem tilfældig diffusion i melassen. Da de tilføjede en separat, indfangende laserstråle til deres melasse, var resultaterne lovende: Et lille lyspunkt dukkede op i den diffuse melassesky, der repræsenterede flere hundrede fangede atomer.

At komme ud over det bød imidlertid på tekniske udfordringer. Problemet er, at skiftet i atomenerginiveauer, der gør optisk fangst med enkeltstråler mulig, hæmmer afkølingsprocessen: Når fældelaseren sænker energien i atomets grundtilstand, ændrer den den effektive frekvensafstemning af kølelaseren. Brug af en anden laser og vekslende mellem afkøling og fangst forbedrer antallet af atomer, der kan fanges, men på bekostning af yderligere kompleksitet. For at gøre yderligere fremskridt ville fysikere have brug for enten koldere atomer eller en bedre fælde.

Den franske forbindelse

Begge var i horisonten. Claude Cohen-Tannoudji og hans gruppe på École Normale Supérieure (ENS) i Paris beskæftigede sig primært med laserkøling fra den teoretiske side. Jean Dalibard, dengang nyslået ph.d. i gruppen, husker at studere teoretiske analyser af Ashkin og Jim Gordon ("et fantastisk papir") og af den sovjetiske duo af Vladilen Letokhov og Vladimir Minogin, der (med Boris D Pavlik) havde udledt den mindste temperatur, der kunne opnås med laserkøling tilbage i 1977.

Som vi så i del 1, er denne minimumstemperatur kendt som Doppler-afkølingsgrænsen, og den stammer fra de tilfældige "spark", der opstår, når atomer genudsender fotoner efter at have absorberet lys fra en af ​​kølestrålerne. Dalibard var nysgerrig efter, hvor fast denne "grænse" egentlig var, og ledte efter måder at holde atomerne "i mørket" så meget som muligt. For at gøre dette udnyttede han en egenskab ved reelle atomer, som ikke er fanget af standard Doppler-afkølingsteori: reelle atomtilstande er ikke enkelte energiniveauer, men samlinger af underniveauer med samme energi, men forskellige vinkelmomenter (figur 2).

Disse forskellige underniveauer eller momentumtilstande ændrer energi i nærvær af et magnetfelt (Zeeman-effekten). Efterhånden som feltet bliver stærkere, øges nogle tilstande i energi, mens andre falder. Disse roller vendes så, når feltets retning vender. En yderligere komplicerende faktor er, at polariseringen af ​​laserlyset bestemmer, hvilke underniveauer der vil absorbere fotoner. Mens en polarisering flytter atomer mellem tilstande på en måde, der øger vinkelmomentum, reducerer en anden det.

I sin teoretiske analyse kombinerede Dalibard disse underniveauer med et magnetfelt, der på et tidspunkt er nul og stiger, når atomer bevæger sig udad. Dermed skabte han en situation, hvor den effektive laserfrekvensafstemning afhang af atomernes position. (Phillips og kolleger brugte en lignende konfiguration til deres magnetiske fælde, men ved et meget højere felt.) Atomer kunne derfor kun absorbere fra en bestemt laser i den specifikke position, hvor kombinationen af ​​afstemning, Doppler-skift og Zeeman-skift var helt rigtige ( figur 3).

Dalibard håbede, at en begrænsning af atomernes evne til at absorbere lys på denne måde kunne sænke deres minimumstemperatur. Efter at han havde beregnet, at det ikke ville, arkiverede han ideen. "Jeg så, det var en fælde, men jeg ledte ikke efter en fælde, jeg ledte efter sub-Doppler-køling," forklarer han.

Det var måske der, det endte, hvis det ikke havde været for Dave Pritchard, en fysiker ved Massachusetts Institute of Technology, som besøgte Paris-gruppen i 1986. Under besøget holdt Pritchard et foredrag om ideer til fremstilling af større fælder og sluttede af med at sige, at han ville tage imod andre – bedre – forslag.

"Jeg gik til Dave, og jeg sagde 'Nå, jeg har en idé, og jeg er ikke så sikker på, at den er bedre, men den er anderledes end din'," husker Dalibard. Pritchard tog Dalibards idé tilbage til USA, og i 1987 byggede han og Chu den første magneto-optiske fælde (MOT) baseret på Dalibards analyse. Dalibard blev tilbudt medforfatterskab til det resulterende papir, men var glad for blot at blive genkendt i anerkendelserne.

Det er svært at overvurdere, hvor revolutionerende MOT var for udviklingen af ​​laserkøling. Det er en relativt simpel enhed, der kun kræver en enkelt laserfrekvens og et relativt svagt magnetfelt for at producere stærke fælder. Det bedste af det hele er dog dens kapacitet. Chu og Ashkins første helt optiske fælde rummede hundredvis af atomer, Phillips første magnetiske fælde flere tusinde, men den første magneto-optiske fælde rummede ti millioner atomer. Sammen med introduktionen af ​​billige diodelasere af Carl Wieman ved University of Colorado (som mere i del 3 af denne serie) udløste fremkomsten af ​​MOT en hurtig eksplosion i antallet af grupper, der studerer laserkøling på verdensplan. Forskningstempoet var ved at accelerere.

Murphys lov holder ferie

Mens Pritchard og Chu byggede den første MOT, stødte Phillips og hans Gaithersburg-kolleger på et ekstremt usædvanligt problem med deres optiske melasse. I modsætning til enhver forventning om eksperimentel fysik fungerede melassen for godt. Faktisk kunne den afkøle atomer, selv med nogle af dens stråler delvist blokeret.

Denne opdagelse kom delvist, fordi laserkøling skulle være Phillips' sideprojekt, så hans laboratorium blev indrettet i et forberedelsesrum, der var forbundet med et maskinværksted. For at forhindre butiksstøv og fedt i at samle sig på laboratoriets vakuumsystem, dækkede medlemmer af gruppen systemets vinduer med plastik eller filterpapir om natten. "Nogle gange ville du få denne virkelig forvrængede udseende melasse," husker Paul Lett, som sluttede sig til gruppen i 1986, "og så ville du indse, åh, vi tog ikke det stykke filterpapir ud. Det var bemærkelsesværdigt, at det overhovedet virkede.”

Denne overraskende vedholdenhed fik Lett til at presse på for en mere systematisk undersøgelse, herunder et nyt sæt temperaturmålinger. "Release-and-recapture"-metoden udviklet af Bell Labs-gruppen havde relativt store usikkerheder, så Phillips' gruppe prøvede en ny metode, der involverede detektering af det lys, der udsendes, når atomer krydsede en sondestråle placeret nær melassen. Når melassen blev slukket, ville atomerne flyve væk. Den tid det tog at nå sonden ville give et direkte mål for deres hastighed og dermed deres temperatur.

Som alle laserkølingseksperimenter pakkede Phillips' laboratorium en masse linser og spejle ind i et lille rum, og det mest bekvemme sted at placere sonden viste sig at være lidt over melasseområdet. Dette burde have fungeret fint for atomer, der rejser med deres Doppler-grænsehastighed, men da Lett prøvede eksperimentet, nåede ingen atomer sonden. Til sidst flyttede han og hans kolleger sondens position til under melassen, hvorefter de så et smukt signal. Der var kun et problem: Doppler-kølegrænsen var 240 mikrokelvin, men denne "time-of-flight"-måling viste en temperatur på 40 mikrokelvin.

Dette resultat ser ud til at overtræde Murphys lov, udsagnet om, at "alt, der kan gå galt, vil", så de var ikke villige til at acceptere det med det samme. De genmålte temperaturen ved hjælp af flere forskellige teknikker, inklusive en forbedret frigivelse-og-genindfangning, men de blev ved med at få det samme resultat: atomerne var meget koldere, end teorien sagde var muligt.

Tidligt i 1988 nåede Phillips og virksomheden ud til andre grupper i det tætte fællesskab af laserkølere og bad dem om at tjekke temperaturerne i deres egne laboratorier. Chu og Wieman bekræftede hurtigt det overraskende resultat: optisk melasse virkede ikke kun for at afkøle atomer, den fungerede bedre, end teorien sagde, den ville.

Klatring op ad en bakke

Paris-gruppen havde endnu ikke et eksperimentelt program, men Dalibard og Cohen-Tannoudji angreb problemet teoretisk via den samme virkelige faktor, som Dalibard brugte til at udvikle MOT: flere interne atomare tilstande. Grundtilstanden af ​​natrium har fem underniveauer med samme energi, og fordelingen af ​​atomer blandt disse tilstande afhænger af lysets intensitet og polarisering. Denne distributionsproces, kaldet "optisk pumpning", var central for den spektroskopiske forskning, der fandt sted på ENS i Paris under Cohen-Tannoudji, så hans gruppe var unikt velegnet til at udforske, hvordan disse yderligere tilstande kunne forbedre laserkøling.

Det centrale træk viser sig at være polariseringen af ​​laserlyset, som i klassisk fysik svarer til aksen for lysets oscillerende elektriske felt. Kombinationen af ​​seks mod-udbredende stråler frembringer en kompliceret fordeling af polarisationer, da strålerne kombineres på forskellige måder forskellige steder i den optiske melasse. Atomerne bliver konstant optisk pumpet ind i forskellige konfigurationer, hvilket forlænger køleprocessen og tillader lavere temperaturer.

I sommeren 1988 havde Dalibard og Cohen-Tannoudji udtænkt en elegant model til at forklare sub-Doppler afkøling. (Chu nåede uafhængigt frem til et lignende resultat, som han husker udledt på et tog mellem to konferencer i Europa.) De betragtede et forenklet atom med kun to grundtilstandsunderniveauer, traditionelt mærket –½ og +½, belyst af to laserstråler, der udbredte sig i modsatte retninger med modsatte lineære polariseringer. Dette skaber et mønster, der veksler mellem to polarisationstilstande, mærket σ^- og σ⁺.

Et atom i et område af σ^- polarisering vil blive optisk pumpet ind i -½ tilstand, som oplever et stort lysskifte, der sænker dens indre energi. Når atomet bevæger sig mod σ⁺ polarisationsområdet falder lysforskydningen, og atomet skal bremse for at kompensere, og tabe kinetisk energi for at kompensere for stigningen i indre energi, som en bold, der ruller op ad en bakke. Når den når σ⁺ lys, vil optisk pumpning få den til at skifte til +½ tilstand, som har et stort lysskifte. Atomet får ikke den energi tilbage, det mistede ved at klatre op ad "bakken" ud af σ^- område, så det bevæger sig langsommere, når processen starter forfra: lysskiftet falder, når det bevæger sig mod næste σ^- region, så den mister energi og pumper derefter optisk til –½, og så videre.

Denne proces med at miste energi ved konstant at bestige "bakker" gav et levende navn: Dalibard og Cohen-Tannoudji kaldte det Sisyphus cooling, efter kongen i den græske myte, der blev dømt til at bruge evigheden på at skubbe en kampesten op ad en bakke for at få stenen til at glide væk og vend tilbage til bunden (figur 4). Atomer i optisk melasse befinder sig i en lignende knibe, idet de altid klatrer op ad bakker og mister energi kun for at få optisk pumpning til at returnere dem til bunden og tvinge dem til at starte forfra.

Sisyfos belønninger

Teorien bag Sisyfos-afkøling giver konkrete forudsigelser om minimumstemperaturer, og hvordan de afhænger af laserafstemningen og magnetfeltet. Disse forudsigelser blev hurtigt bekræftet i laboratorier rundt om i verden. I efteråret 1989 Journal of the Optical Society of America B udgivet et særnummer om laserkøling indeholdende eksperimentelle resultater fra Phillips' gruppe i Gaithersburg, Sisyfos-teorien fra Paris og et kombineret eksperimentelt og teoretisk papir fra Chus gruppe, som på det tidspunkt var flyttet fra Bell Labs til Stanford University i Californien. I det meste af det næste årti blev dette specielle nummer betragtet som den definitive kilde for studerende, der søger at forstå laserkøling, og Cohen-Tannoudji og Chu fortsatte med at dele 1997 Nobelprisen i fysik med Phillips.

Taget til sin grænse kan Sisyfos-effekten afkøle atomer til det punkt, hvor de ikke længere har nok energi til at klatre op på selv en enkelt "bakke" og i stedet er begrænset til et lille område af en enkelt polarisering. Denne indeslutning er lige så tæt, som den er for fangede ioner, hvilket gør de to grene af laserkøling pænt symmetriske. I begyndelsen af ​​1990'erne kunne fangede ioner og neutrale atomer begge afkøles til et regime, hvor deres kvantenaturer bliver tydelige: en enkelt ion i en fælde eller et atom i en "brønd" skabt i Sisyphus-afkøling, kan kun eksistere i bestemt diskret energi stater. Disse diskrete tilstande blev snart målt for begge systemer; i dag er de en væsentlig del af kvanteberegning med atomer og ioner.

En yderligere spændende forskningsvej vedrørte selve brøndene. Disse dannes, når lysstråler interfererer, og forekommer naturligt i store arrays med en afstand på halvdelen af ​​laserbølgelængden. Den periodiske natur af disse såkaldte optiske gitter efterligner den mikroskopiske struktur af fast stof, hvor atomerne spiller rollen som elektroner i et krystalgitter. Denne lighed gør fangede atomer til en nyttig platform til at udforske fysikfænomener i kondenseret stof som superledning.

For virkelig at udforske superledning med kolde atomer, skal gitteret dog være fyldt med atomer med en højere tæthed og en endnu lavere temperatur, end der kan opnås med Sisyphus-afkøling. Som vi vil se i del 3, ville det kræve endnu et nyt sæt værktøjer og teknikker, og det ville åbne muligheden for at skabe ikke bare analoger af kendte systemer, men helt nye stoftilstande.

• Del 3 af historien om laserkøling af Chad Orzel vil snart blive offentliggjort Fysik verden

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Automotive/elbiler, Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• ChartPrime. Løft dit handelsspil med ChartPrime. Adgang her.
• BlockOffsets. Modernisering af miljømæssig offset-ejerskab. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/